El Año del Planeta Tierra: Lo que conocemos y lo que desconocemos de nuestro planeta. G. Gutiérrez-Alonso, J.B. Murphy, J. Fernández-Suárez. 2008, Pliegos de Yuste 7/8, 111-122. DESCARGAR-DOWNLOAD. (For an english version, please contact Gabi)
Texto en Castellano:
El Año del Planeta Tierra: Lo que conocemos y lo que desconocemos de nuestro planeta.
“La Tierra, en vez de actuar como un estatua inerte, es un ser vivo y en movimiento”
“The earth, instead of appearing as an inert statue, is a living, mobile thing.”
(J. Tuzo Wilson, 1968)
Gabriel Gutiérrez-Alonso, J. Brendan Murphy y Javier Fernández-Suárez
Introducción
Bajo los auspicios de la UNESCO y la Unión Internacional de Ciencias Geológicas (IUGS), el “Año Internacional del Planeta Tierra” comenzó en Enero de 2007, y se extenderá hasta Diciembre de 2009, con el objetivo de conseguir un mayor y más efectivo uso, por parte de la sociedad, del conocimiento desarrollado por los más de 400000 científicos dedicados al estudio de la Tierra existentes en el mundo. El objetivo global del “Año Internacional del Planeta Tierra”, es construir una sociedad global más segura, sana y desarrollada, tal y como se expresa en el subtítulo de su logo “Ciencias de la Tierra para la sociedad”. El año central del trienio, 2008 “El Año Internacional”, ha sido proclamado por la Asamblea General de las Naciones Unidas como el su año internacional. Las Naciones Unidas proponen este año internacional como una importante contribución al desarrollo sostenible, ya que promueve el uso razonable (sostenido) de los recursos de la Tierra y anima a realizar una mejor planificación y un mejor desarrollo para reducir los riesgos ambientales para los habitantes del planeta.
Para esforzarse en conseguir estos nobles objetivos, debemos de hacer una sincera valoración sobre lo que conocemos de nuestro planeta. Aunque las Ciencias de la Tierra sea una disciplina muy joven, su cuerpo de conocimiento ha sido aumentado recientemente de manera ímproba, especialmente cuando se trata de entender las interacciones entre la Tierra sólida, la hidrosfera, la atmósfera y la biosfera, y las relaciones entre estas interacciones y aspectos medioambientales como el calentamiento global, la biodiversidad o la pérdida de ozono.
La mayoría de los recursos que necesita nuestra civilización, tales como la energía, materias primas y aguas subterráneas son el resultado de procesos geológicos que, en algunos casos aún no comprendemos completamente. La sociedad no esa concienciada de que la demanda de los materiales de consumo básicos es lo que condiciona la búsqueda de diferentes metales, a menudo escasos, que necesitamos en nuestra vida cotidiana en la forma, por ejemplo, de complejas aleaciones presentes en los teléfonos móviles o en las televisiones con tecnología digital. La sociedad siempre ha demandado estos recursos sin tener en cuenta la necesidad de entender los procesos involucrados en su formación. La economía relacionada con la extracción de hidrocarburos fósiles, minerales y aguas subterráneas ha determinado que nuestros recursos más importantes estén al borde del agotamiento sin haber extraído de ellos el conocimiento necesario para ayudar a nuestra sociedad a encontrar más recursos. Esta miope aproximación a cómo explotamos nuestros recursos se ve favorecida por la falta de comprensión de la sociedad y de los estamentos políticos sobre el papel de los científicos dedicados a las Ciencias de la Tierra en el hallazgo de los recursos que sostienen la riqueza de nuestra sociedad. Esta condición de incomprensión nace de la falta de educación geológica en los niveles preuniversitarios en la mayor parte de los planes educativos de la mayor parte de los países del mundo. Además, donde se enseña geología, los contenidos que se imparten están casi siempre anticuados y son comunicados por personal docente que carece de formación y de la pasión necesaria para impartir estos conocimientos.
Las capas de la Tierra
La Tierra se compone de varias capas concéntricas con distintas composiciones químicas y propiedades químicas. Por lo general, el planeta tiene capas ordenadas de acuerdo con su densidad, de manera que las moléculas más ligeras, se encuentran mayoritariamente en la atmósfera, mientras que los elementos más densos (por ejemplo el hierro y el níquel) son más abundantes en el núcleo (Figura 1). El conocimiento que tenemos de la parte gaseosa de nuestro planeta ha sido intensamente acopiado por distintos tipos de aeronaves, naves espaciales, cohetes balísticos, globos y aviones, que han surcado la misma en toda su extensión. El límite exterior de nuestra atmósfera se define en el límite del campo gravitatorio de la Tierra. Este límite se encuentra aproximadamente a 10000 km por encima de la superficie de la Tierra donde la atmósfera se compone de unos pocos protones y electrones libres y algunos átomos de Helio bombardeados por la radiación solar. Lo que se conoce como la atmósfera superior se extiende desde los confines superiores hasta aproximadamente 640 km por encima de la superficie terrestre y recibe el también el nombre de Exosfera. Por debajo de ella, hasta los 80 o 85 km de altitud, se encuentra la Termosfera, compuesta de unas pocas moléculas de gases y donde la ISS orbita nuestro planeta. La presión atmosférica es muy baja y su temperatura varía de 1300oC a 300oC en ciclos de 11 años que se corresponden con los ciclos de las manchas. Dentro de la Termosfera se encuentra una subcapa que se denomina Ionosfera situada entre unos 100 y 200 km de altura que está formada por una concentración de electrones y que es fundamental para la transmisión de ondas de radio. La interacción de la Ionosfera, el campo magnético terrestre y el viento solar es la responsable de la existencia de las auroras que se observan en zonas localizadas en latitudes elevadas. Por debajo de la Termosfera se encuentra la Mesosfera hasta una altura de 50 km de atura y es donde la mayor parte de los bólidos y meteoritos se destruyen, protegiéndonos de esta manera del impacto de los mismos. Por debajo, la Estratosfera se extiende hasta entre 12 a 8 km por encima de la superficie (dependiendo de la latitud que se considere), e incluye otra importante subcapa cerca de su límite inferior, la capa de ozono, que nos protege de de las mortíferas radiaciones ultravioletas. Los cambios anuales en la capa de ozono localizada sobre los polos terrestres causan cambios dramáticos en la cantidad de radiación ultravioleta que reciben esas regiones y que pueden amenazar la vida en la Tierra. Por debajo de la estratosfera se encuentra la troposfera que se extiende hasta la superficie de la Tierra. El nombre de troposfera deriva del griego tropos, que significa “girar o mezclar”, es una capa turbulenta en la que se concentra la circulación atmosférica que depende en su mayoría de los contrastes de temperatura, presión y humedad del aire que se encuentra cerca del ecuador o de los polos. Estos contrastes, junto con el giro terrestre que causa la fuerza de Coriolis, son los responsables de los cabios locales del tiempo, de los distintos climas y de que la vida se mantenga en la Tierra.
Por debajo de la atmósfera, pero por encima de la Tierra solida, la Hidrosfera cubre más del 70% de la superficie de nuestro planeta. La Hidrosfera es un sistema global que regula el clima de nuestro planeta y permite la vida. En la actualidad, el 97,2% del el agua existente en la superficie de la Tierra se encuentra en los océanos, el 2,15% en los glaciares y el 0,63% en las aguas subterráneas (aunque de hecho la mayor parte del agua de la Tierra se encuentra en el manto, formando parte de algunos de los minerales que lo componen).La cantidad de agua almacenada en los glaciares ha variado sustancialmente a lo largo de la historia geológica de acuerdo con la extensión de los casquetes glaciares. La Hidrosfera tiene 1.35 × 1021 kg de agua (que representa aproximadamente 1/4500 e la masa total de la Tierra) tanto en forma líquida como sólida). La presencia de la Hidrosfera convierte a nuestro planeta en algo único dentro del Sistema Solar y su existencia es de crucial importancia para el mantenimiento y desarrollo de la vida tal y como la conocemos en la actualidad. La circulación global de los océanos se describe en la actualidad mediante un concepto dinámico que se conoce como la circulación “termohalina” (término que proviene de combinar temperatura y salinidad del agua del mar), un concepto desarrollado a finales del siglo XX que considera que la temperatura, la salinidad y los contrastes de densidad del agua del mar entre las regiones ecuatoriales y polares son las causas de las corrientes globales que transportan calor y nutrientes por toda la hidrosfera. La presencia de casquetes polares en un componente esencial de este modelo, ya que se encargan de mantener los contrastes térmicos y de densidad que causan la circulación termohalina. Como es bien sabido, la monitorización a través de satélites ha documentado el progresivo aumento de las tasas de desaparición de hielo en latitudes elevadas, y los modelos y simulaciones informáticas muestran que una continuada pérdida del hielo de los casquetes polares afectará la estabilidad de la circulación global termohalina.
La Tierra sólida, conocida también como Geosfera, es un cuerpo casi esférico que tiene un radio medio de 6370 km y una masa aproximada de 6.0 × 1024 kg. Tiene un poco más de diámetro en el ecuador que en los polos. Su densidad es de 5515 kg/m3, la mayor de todos los planetas del Sistema Solar. La observación directa del interior de la Tierra está limitada por la profundidad a la que pueden llegar los sondeos mecánicos. El sondeo más profundo realizado en el mundo alcanzó los 12262 km de profundidad y fue realizado en 1994 en la península de Kola (situada al norte de Rusia). Esta profundidad apenas constituye el 0,2% del radio de nuestro planeta, lo que nos indica que la mayor parte del conocimiento de las capas que forman el interior de la Tierra es indirecto.
Las diferentes capas que forman el interior de la Tierra sólida se pueden clasificar de acuerdo con dos criterios, su composición química y sus propiedades mecánicas. De la misma manera que los rayos X pueden revelarnos la estructura y composición interna de un paciente humano, el estudio sistemático de las trayectorias de las ondas sísmicas a través de la Tierra ha permitido la división de la Tierra en capas que se distinguen en función de sus diferentes propiedades mecánicas. Estas capas son (desde la superficie hacia el centro):
(i) La Litosfera, es la cascara externa y dura de la Tierra. Excepto cerca de las “dorsales centro oceánicas”, esta cascara esférica rocosa se extiende hasta una profundidad de aproximadamente 100 a 150 km e incluye la corteza oceánica (de entre 5 y 9 km de espesor y compuesta fundamentalmente por rocas volcánicas de tipo basalto) y la corteza continental (con un grosor de entre 25 a 70 km y formada por rocas con abundantes silicatos de aluminio cubiertas por una delgada capa de sedimentos). Por debajo de la corteza se encuentra el manto superior, formado fundamentalmente por peridotita (una roca relativamente densa, en la que predominan minerales con composición de silicato de hierro y/o magnesio, como el olivino y el piroxeno, y que tiene menos sílice que la corteza). La resistencia mecánica de la peridotita, que se comporta de manera rígida hasta profundidades de 100 a 150 km y a temperaturas por debajo de los 1100ºC, define la base de la litosfera.
(ii) La Astenosfera (el nombre proviene del griego asthenos, que significa débil) es parte del manto, se extiende hasta 250 a 400 km por debajo de la superficie y fluye de manera plástica en la forma de células de convección disipando el calor del interior de la Tierra. La astenosfera contiene una pequeña cantidad de magma, en torno al 5%, que hace que se comporte mecánicamente de manera débil, lo que permite que la litosfera suprayacente se pueda mover en la forma de grandes placas rígidas (ver más adelante). La astenosfera junto con el resto de rocas del manto hasta los 660 km de profundidad es lo que conocemos como el Manto Superior .
(iii) El Manto Inferior se extiende hasta una profundidad de 2890 km, Aunque es sólido, sus elevadas presiones y temperaturas hacen que se encuentre en unas condiciones muy próximas a su fusión, lo que le permite fluir muy lentamente.
El manto en su conjunto incluye la parte inferior de la litosfera, la astenosfera y el manto inferior. Aunque en todo él su composición predominante es de silicatos de hierro y magnesio, los minerales que tienen esta composición son distintos en función de los cambios en presión y temperatura con el incremento de la profundidad. Este cambio de mineralogía afecta las propiedades mecánicas del interior de la Tierra y juega un papel fundamental en la definición de las capas del interior terrestre. La parte superior del manto esta compuesto por unos minerales que se llaman olivino y piroxeno, pero a unos 400 km de profundidad (en torno a la base de la astenosfera), la estructura de esos minerales cambia para convertirse en otros llamados espinelas de tipo beta y gamma. A mayor profundidad, entre 650 y 670 km, se genera otro mineral, con la misma composición y distinta estructura atómica, que se denomina perovskita y cuya formación nos indica el límite entre el manto superior y el inferior. En la base del manto, alrededor del núcleo terrestre se encuentra una fina capa diferente (conocida como D’’) cuyas características se encuentran en la actualidad sometidas a un intenso debate al que nos referiremos más adelante.
(iv) El núcleo se extiende, por debajo del manto hasta el centro de la Tierra. Esta subdividido en un núcleo externo, liquido, compuesto por una aleación compleja de hierro, níquel y azufre y/o oxígeno; el núcleo interno (con un radio de 1220 km) es sólido, compuesto por una aleación de hierro y níquel, y su comportamiento ha sido recientemente interpretado como perteneciente a un único cristal (aunque esta interpretación se debate en la actualidad). La masa del núcleo, enriquecida en hierro, es la responsable de la anómala densidad global de nuestro planeta. Su origen ha sido interpretado recientemente como el resultado de una gran colisión con otro planeta en los episodios más tempranos de la evolución de la Tierra (hace aproximadamente 4500 millones de años). En esta colisión el núcleo del otro planeta fue transferido a la Tierra. Según este modelo, los materiales ligeros desprendidos en la gigantesca colisión fueron lanzados al espacio, donde parte de ellos se amalgamaron para formar a nuestra compañera la Luna, que tiene una densidad media de 3300 kg/m3.Existen otros modelos para la formación del núcleo, los cuales argumentan la acreción heterogénea de material durante la formación de la Tierra que culminó con la diferenciación gravitacional del núcleo en el que se concentraron los elementos más pesados. Independientemente de cómo se formó el núcleo, la circulación del núcleo externo, que es líquido, crea una dinamo que es la responsable del intenso campo magnético que podemos reconocer cuando usamos una brújula para orientarnos. El campo magnético nos protege de las radiaciones cósmicas y solares, que pueden resultar letales, y las investigaciones más recientes apuntan a que la mayor velocidad angular del núcleo interior respecto al núcleo exterior es la causa de las especiales características de la dinamo, incluyendo la persistencia e intensidad del campo magnético que disfrutamos en nuestro planeta en contraste con otros planetas del sistema solar.
La estructura en capas de nuestro planeta se inició muy temprano respecto a la evolución de la Tierra y refleja, de alguna manera, la historia de los procesos dinámicos que han sucedido a lo largo del tiempo geológico. Podemos observar y medir muchos de los procesos dinámicos que ocurren en la atmósfera y la hidrosfera modernas (por ejemplo sistemas meteorológicos y corrientes oceánicas) pero la situación que observamos en la actualidad no es más que un fotograma en una película de acción que se extiende durante miles de millones de años. Con un conocimiento correspondiente a un periodo temporal tan pequeño es muy difícil predecir cuál será la evolución de estos procesos con el tiempo. Afortunadamente, las interacciones entre la atmósfera, la hidrosfera y la litosfera a lo largo de todo el tiempo geológico han quedado preservadas en el registro rocoso. Por ejemplo, el análisis detallado de los diferentes tipos de roca y de su contenido en fósiles ha permitido la reconstrucción de los cambios del nivel del mar en los últimos 550 millones de años, así como algunos periodos en los que la actividad volcánica fue particularmente intensa se pueden correlacionar con cambios en la composición de la atmósfera y del agua de los océanos, lo que tuvo consecuencias muy importantes en la evolución de la biosfera.
Los procesos que tienen lugar bajo la superficie de la Tierra tan tenido un papel por lo menos tan importante en la evolución de nuestro planeta, como su relación con aquellos que suceden en la hidrosfera, la atmósfera y la biosfera. Por ejemplo, la distribución de continentes, siempre cambiante cuando se considera la escala de tiempo geológico, se debe a la convección que tiene lugar en el manto. La geografía permanentemente cambiante de la Tierra tiene consecuencias muy profundas en la circulación de la atmósfera y la hidrosfera y por tanto es el la causa más importante de los cambios climáticos que se producen de manera natural.
Es muy difícil para la mayoría de las personas entender el inmenso efecto que tienen los procesos geológicos que han construido la Tierra tal y como la conocemos dado que la mayoría de estos procesos actúan con tal lentitud que su escala temporal es varios órdenes de magnitud más extensa que la vida de un ser humano o incluso de toda la existencia de la humanidad. Sin embargo, es esencial darse cuenta que estos procesos, actuando a lo largo de millones, o miles de millones de años, son los responsables de haber proporcionado a la humanidad de un medio ambiente y de unos recursos que han permitido el avance de la civilización. Muchos de los científicos que se dedican al estudio de las Ciencias de la Tierra piensan que la mayor parte de los problemas medioambientales modernos son el resultado del desconocimiento fundamental de estos procesos. Los recursos tales como los combustibles fósiles y los metales se formaron según una cadencia propia de los procesos geológicos, pero están siendo consumidos por nuestra sociedad a las velocidades que demanda nuestra sociedad. Desde la perspectiva de los geólogos, es el enorme contraste entre estas dos cadencias lo que hace que nuestro medio ambiente esté sometido al desequilibrio que observamos en la actualidad y, por tanto, para entender el mismo, debemos aprender más de los procesos que formaron los recursos que utilizamos. La falta de educación sobre las ciencias de la Tierra en nuestra sociedad, que incluso ha sido eliminada de las escuelas en la mayor parte del mundo, impide que entendamos nuestro planeta y nuestro papel como guardianes del medio ambiente de la Tierra. Es más, prácticamente no existen políticos ni administradores que tengan formación relacionada con las ciencias de la Tierra.
En este ensayo, exploramos que es lo que conocemos y que es lo que no conocemos acerca de los procesos que gobiernan la lenta e inexorable evolución del Planeta Tierra, y discutimos la necesidad que tenemos de una ciudadanía más consciente de la importancia de las Ciencias de la Tierra.
Lo que conocemos: la tectónica de placas, el paradigma.
En la segunda mitad del siglo XX, las Ciencias de la Tierra sufrieron una revolución científica que culminó en el paradigma de la tectónica de placas. El concepto de tectónica de placas está tan afianzado en la literatura geológica como la evolución en la biológica o el “Big Bang” en la astrofísica. El paradigma de la tectónica de placas es el resultado de la integración de varios conceptos que se desarrollaron a lo largo del siglo XX, comenzando por el concepto de deriva continental cuyo valedor fue Alfred Wegener en 1912. A renglón seguido, Arthur Holmes en 1929 propuso un mecanismo que podía servir para explicar el motor de la deriva continental, algo que Wegener no había sido capaz de hacer, a partir de hipotéticas corrientes de convección en el interior de la Tierra. Estas ideas fueron rescatadas en los años 60 por R. Dietz y H. Hess para proponer uno de los conceptos más importantes de la tectónica de placas, la expansión del fondo oceánico. Estos conceptos fueron integrados y sintetizados en 1967-68, fundamentalmente por D.P. McKenzie, R.L. Parker, J. Morgan, X. Le Pichon, y J.T. Wilson entre otros, en lo que ahora conocemos como el paradigma de la tectónica de placas. Desde entonces un gran número de datos se han sumado a esta teoría, aunque muchos de los detalles de la misma aún necesitan ser estudiados. A continuación exponemos un resumen de los fundamentos de esta teoría.
De acuerdo con la teoría de la tectónica de placas, la capa rígida más externa de la Tierra, que tiene entre 100 y 150 km de espesor, la litosfera, viaja sobre la astenosfera, más caliente y plástica (en el sentido de que se puede deformar) tal y como se ha descrito anteriormente. Como una cascara de huevo agrietada, la litosfera está rota en unos 20 fragmentos, o placas, que se mueven lentamente alrededor del globo a velocidades que no llegan a los 10 centímetros por año. A medida que se mueven, las placas pueden chocar unas con otras, separarse entre ellas, o deslizarse una con respecto a otra y los efectos de estos movimientos son más evidentes cerca o en los mismos límites de las mismas. A corto plazo, las interacciones entre las places crean esfuerzos en las proximidades que son disipados por terremotos. Sin embargo, a largo plazo, estos esfuerzos hacen que se generen cadenas montañosas donde las places colisionan y se creen océanos encima de la corteza recién nacida entre palcas que se separan. Los continentes están embebidos de forma pasiva en las placas junto con parte de los océanos que los rodean, moviéndose de unos y otros de manera solidaria. Su movimiento durante millones de años es capaz de abrir y cerrar completamente cuencas oceánicas. Por ejemplo, el alejamiento de América de Europa y África durante los últimos 180 millones de años ha abierto el océano Atlántico, el cual continúa creciendo en la actualidad. Es de esta manera como el mapamundi que reconocemos como único en la actualidad no es más que el mencionado fotograma de una apasionante película. Las fuerzas que mueven los continentes se generan debajo de las cordilleras submarinas que recorren el centro del océano Atlántico y del resto de de la red de cordilleras submarinas que se extienden por más de 60.000 km. En estas cordilleras, el magma caliente que surge desde el manto, se enfría y solidifica creando la nueva litosfera oceánica y, por tanto, ampliando el tamaño de ese océano. A medida que se va creando nueva litosfera, las placas situadas a ambos lados de la cordillera oceánica son empujadas y separadas una de otra (Figura 2a). Dado que la tierra tiene una superficie constante, la creación de nueva litosfera debe de compensarse con la destrucción de litosfera más antigua en alguna otra parte, lo que sucede en un proceso que se denomina subducción. De la misma manera que el Atlántico, usando el mismo ejemplo anterior, se ha ido abriendo durante los últimos 200 millones de años, el movimiento relativo de América hacia el Oeste ha hecho que la placa, o grupo de placas, que forman la mayor parte del océano pacífico haya convergido hacia el continente americano y haya sido subducida, bajo él. En este caso, cuando las placas convergen, la placa más densa es subducida por debajo de la más ligera, y es reintroducida en el manto, donde es parcialmente consumida y reciclada (Figura 2b). Por lo general, la corteza oceánica es más densa que la corteza continental, así las pates de las placas que contienen corteza continental normalmente se hunden por debajo de las que tienen corteza continental. Además, donde dos placas convergen, las que poseen una litósfera más antigua y más fría (y por lo tanto, más densa) son las que son subducidas preferentemente. Si se consideran en conjunto los procesos mencionados, será habitualmente la litosfera oceánica más antigua la que será subducida. Así se puede entender como casi la totalidad de la litosfera oceánica tiene menos de 180 millones de años de antigüedad, mientras que en los continentes se preservan rocas que tienen hasta 4000 millones de años.
La subducción es uno de lo procesos responsables de la generación de cadenas montañosas, de las orogenias (del griego oros, montañas). Cuando las placas oceánicas, más densas, se introducen hacia el interior de la tierra, el agua que contienen hace que su composición sea inestable, lo que hace que ocurran cosas por encima de la zona de subducción, sobre todo la generación de rocas fundidas, magma, con menos densidad, que tienden a salir hacia la superficie de la Tierra. Cuando este magma asciende, alimenta los volcanes y calienta la corteza suprayacente creando montañas (Figura 2c). Los Andes son un ejemplo cásico de cómo se construyen este tipo de cadenas montañosas, ya que durante los últimos 200 millones de años, al menos desde que se comenzó a desmembrar Pangea, la litosfera oceánica de diferentes placas tectónicas ha subducido debajo del margen occidental de la placa sudamericana.
Por otro lado, todos los océanos modernos contienen complejos de islas, como Nueva Zelanda o Filipinas (que en conjunto reciben el nombre de terrenos) (Figura 2d). La mayor parte de estos terrenos colisionarán, en algún momento determinado, con un margen continental, activo o pasivo, cuando se consuma el fondo oceánico existente entre las dos masas continentales debido a la subducción. La colisión producirá actividad magmática y deformación, y constituirá otro tipo de orogenia. Este es el caso del oeste de Norteamérica, donde las colisiones de un gran número de terrenos durante los últimos 200 millones de años han añadido más de 500 kilómetros de litosfera continental al margen occidental de la placa norteamericana.
Por último, un tercer tipo de orogenia sucede cuando la placa que subduce arrastra corteza continental. En este caso la colisión entre masas continentales sucede cuando la corteza oceánica entre ellas ha sido subducida. Cuando la corteza continental, que es relativamente ligera, llega a la zona de subducción, no puede introducirse en el manto lo que provoca el fin de este proceso. Aunque existen datos recientes que indican que la corteza continental puede ser arrastrada dentro del manto hasta profundidades de 100 kilómetros, en algún momento la subducción tiene que finalizar. Es obvio que el proceso de subducción debe de preceder al de colisión, lo que implica que esta tercera clase de orogenia debe de sobreimponerse a una orogenia previa de tipo andino. El resultado final es la construcción de una litosfera engrosada que produce enormes montañas y raíces continentales, tales como el Himalaya, que es el resultado de la colisión entre la India y Asia meridional, y los Alpes que resultaron de la colisión de parte del norte de África contra Europa (Figura 2e).
Algunas cosas que desconocemos (y deberíamos saber).
En esta sección vamos a explorar algunas de las importantes cuestiones que aún no están respondidas , no están explicadas o son controvertidas en las Ciencias de la Tierra, especialmente aquellas que están relacionadas con procesos que tienen lugar en el interior del planeta y mostraremos su especial importancia para entender la evolución de nuestro dinámico planeta y para la génesis de muchos de los recursos que necesita la humanidad. Por supuesto que hay más temas que son importantes, y no pretendemos ser exhaustivos en su enumeración y descripción. Nuestras opiniones son personales y tendenciosas, de acuerdo con los temas en los que centramos nuestro trabajo y nuestra experiencia investigadora.
¿Cuales son las fuerzas que mueven las placas?
Incluso después de que la Tectónica de placas haya sido universalmente aceptada, el origen y la causa de las fuerzas que mueven las placas ha sido objeto de un intenso debate. Antes de este debate, Arthur Holmes había postulado que la deriva continental había sido causada por el lento movimiento del manto, que caliente y fluido circulaba por debajo de los mismos desplazándolos pasivamente como una cinta transportadora. El origen de ese movimiento del manto se origina en la convección, un proceso similar al bullir de una cazuela llena de sopa a medida que se va calentando, pero que sucede a una velocidad infinitamente más baja. Aunque ahora sabemos que los continentes forman parte de las placas, en una primera aproximación el concepto propuesto por Arthur Holmes puede ser aplicado al movimiento de las palcas litosféricas que forman la Tierra. La convección está causada por el calor que se halla en el interior de la Tierra. Este calor se origina principalmente a partir de dos causas; el calor residual que se disipa progresivamente desde la formación de la Tierra y el calor que se genera por la constante transmutación de los elementos radioactivos (fundamentalmente Uranio, Torio y Potasio) que se hallan en el interior de la Tierra. En los años 90 se postularon dos nuevos conceptos que añadían otras fuerzas alternativas a las que se podían entender a partir únicamente de la convección en el manto terrestre. El “empuje de la dorsal oceánica” (Ridge push) nos propone que la intrusión de magma en las dorsales centro-oceánicas es la fuerza que impulsa y mantiene el movimiento de las placas. Así mismo, se postuló el “tirón de la placa” (Slab pull), que quiere decir que la fuerza que mueve las placas se deriva de la litosfera oceánica, más antigua y más densa que se hunde, arrastrada por la gravedad, por debajo de las zonas de subducción arrastrando con su peso al resto de la placa, incluidos los continente que pueda incluir. Recientemente, este último mecanismo (slab pull) ha sido considerado como el causante de las fuerzas que mantienen la dinámica de las placas tectónicas. Los avances más recientes en la tomografía sísmica (una técnica que permite visualizar el recorrido de las placas que subducen dentro del manto terrestre), parecen indicar que la subducción de litosfera fría y densa, que es capaz de atravesar todo el manto y llegar hasta el límite de éste con el núcleo, es lo que condiciona y causa la existencia y forma de las corrientes de convección dentro del manto. Muchos geodinámicos creen que las fuerzas causadas por la litosfera, fría y densa, mientras se hunde en el mato son las responsables de aproximadamente el 90% de la energía necesaria para mantener la dinámica de la Tectónica de Placas.
Como se puede ver, tenemos algunas ideas de cómo son las fuerzas que trabajan en el interior de la Tierra y conducen el movimiento de las placas, pero necesitamos un conocimiento más profundo de las mismas para poder entender todos los detalles y conocer cuál es el equilibrio entre todas las fuerzas que actúan para mantener la Tectónica de Placas. En la actualidad, ninguno de los mecanismos que se han propuesto explican por si mismos los detalles implícitos en el movimiento de las places; las fuerzas involucradas son difícilmente medidas y estudiadas y, además, los posibles mecanismos que puedan actuar no pueden ser sometidos a una experimentación directa. El hecho de que las placas tectónicas se han movido en el pasado, y se estén moviendo en la actualidad no admite discusión, tal y como se puede comprobar con los modernos sistemas geodésicos, como el GPS, pero los detalles de cómo y porque nos movemos continuarán fascinando a los científicos hasta un futuro no muy próximo.
¿Han funcionado las placas tectónicas desde las épocas más tempranas de la evolución terrestre?
Como se ha indicado previamente, la tectónica de placas se considera en la actualidad el paradigma que explica la mayor parte de los procesos que suceden en la parte sólida de la Tierra y que configuró su cambiante geografía alo largo del tiempo, también se considera que no existe un mecanismo similar que esté operando actualmente en otros planetas de nuestro Sistema Solar. No obstante, existe una gran controversia acerca de cómo y cuándo la tectónica de placas comenzó a funcionar en la Tierra. La mayor parte de los científicos que se dedican a las Ciencias de la Tierra piensan que la manera de funcionar de la tectónica de placas ha cambiado a medida que la Tierra se ha ido enfriando a lo largo del tiempo. Dado que el flujo de calor es la principal energía que alimenta la tectónica de placas, es más que posible que la Tierra primigenia, más caliente, tuviese un equilibrio de fuerzas diferente al que observamos en la actualidad.
La discusión de cómo o cuando comenzó la tectónica de placas se encuentra limitada por el escaso registro rocoso existente, y del que se puedan extraer datos acerca de la historia temprana de la Tierra. Entre los geólogos y geofísicos hay acuerdo acerca de que el manto durante la era Arcaica (hace más de 2500 millones de años) estaba más caliente que en la actualidad, pero no hay acuerdo en si estaba mucho más caliente o no. La pregunta más importante aún se mantiene sin respuesta y es si el proceso de subducción tenía las mismas características que en tiempos más recientes, o si la inclinación de las placas oceánicas que subducen lo hacían con una inclinación menor debido a su mayor flotabilidad y grosor, que impedía que pudiese subducir hasta las profundidades que lo hacen hoy en día, como veremos a continuación. Otra de las discusiones existentes es si la tectónica de placas empezó y se paró varias veces a lo largo de la historia de la Tierra (de la misma manera que puede haber sucedido a la vida). Esta pregunta aún está abierta, y parte de los científicos piensan que la tectónica de placas comenzó hace unos 700 millones de años, a la vez que se produjeron una serie de dramáticas eras glaciares que llegaron a congelar completamente la superficie del planeta. En el otro extremo, otros piensan que el “estilo moderno” de la tectónica de placas ha estado funcionando desde hace por lo menos 3100 millones de años, e incluso desde hace 4000, tal y como sugieren las rocas volcánicas de esa edad, muy similares químicamente a las que se producen en la actualidad en las proximidades de zonas de subducción modernas, y la geoquímica y los isótopos registrados en los circones (un silicato de circonio, Zr, que está presente en la mayor parte de las rocas terrestres. La relación de la concentración de los distintos isótopos de hafnio, Hf, y oxígeno, O, de los circones formados hace entre 4000 y 4400 millones de años apuntan a la existencia de una corteza continental “fría” y evolucionada en los albores de la evolución terrestre, lo que ha hecho asumir a muchos científicos que un mecanismo similar a la actual tectónica de placas ha podido existir desde los tiempos primigenios de la existencia de nuestro planeta.
¿La capa D’’ es un cementerio de placas tectónicas?
Una de las características más discutidas acerca de la naturaleza del interior de la Tierra es qué es y qué significa la capa D’’, situada unos 2900 km de profundidad. Esta capa de la Tierra, tiene unos 200 km de espesor, y se sitúa en el límite entre el manto y el núcleo (Figura 1). Fue nombrada por el geofísico Keith Bullen, quién dividió el interior de la Tierra en varias capas, de A hasta G, siendo la capa D lo que conocemos en la actualidad como manto inferior, basándose en el estudio de las características de las ondas sísmicas que las atraviesan, como ya se ha mencionado. Más adelante, Bullen dividió la capa D en dos a las que denominó D’ y D’’. Lo que resulta llamativo de la capa D’’ es que presenta una topografía muy irregular y, además, es el lugar donde se cree que se generan los penachos mantélicos (mantle plumes, Figura 2f). La naturaleza de esta capa es controvertida. Algunos autores piensan que está compuesta del mismo material que el resto del manto, pero cuyo mineral más abundante es uno que se denomina post-perovskita, que es únicamente estable bajo presiones y temperaturas muy elevadas, más allá de nuestra imaginación. Otros autores consideran que esta capa constituye una especie de “cementerio”, donde termina la litosfera oceánica que subduce, la cual es reciclada y se vuelve a fundir completamente (figura 2g) produciendo los penachos mantélicos. Sabemos, por el estudio de los isótopos de las rocas volcánicas que se producen encima de las islas oceánicas sugieren que los magmas que las originaron estaban contaminados por componentes derivados de su paso por zonas de subducción.
El destino de la litosfera oceánica subducida se conoce bien hasta que llegan aproximadamente hasta unos 650 km de profundidad (la base del manto superior), donde un cambio en las fases minerales que lo componen lo hacen más duro y más resistente a que la litosfera oceánica lo atraviese (figura 2h). Este cambio mineralógico produce que el manto de composición peridotítica, es decir, predominantemente formado por un silicato de magnesio denominado olivino, se convierta en un manto compuesto por un mineral con una estructura del tipo de la perovskita, el cual tiene una composición similar a la del olivino pero un empaquetamiento más denso de los iones que lo constituyen. Tal y como se desprende de la discusión anterior, existen muchas incertidumbres acerca de como son y cómo se comportan los materiales que se encuentran en el manto. Los avances más recientes que se han realizado en técnicas de análisis químicos permiten que seamos capaces de analizar isótopos que nunca habían sido analizados previamente. Además, los análisis realizados usando las modernas celdas de presión de diamante pueden replicar las presiones y temperaturas que existen dentro del manto e investigar los cambios mineralógicos que se producen bajo las mismas. Es más, las modernas técnicas de tomografía sísmica y su mejor resolución pueden permitir resolver y establecer la geometría y trayectoria de las placas que subducen a través del límite mineralógico correspondiente a los 650 km de profundidad, y pueden ayudar a desvelar la arquitectura de las células de convección del manto.
¿Cómo funciona el manto?
Como el núcleo de nuestro planeta es más inaccesible que el manto, aún existen más incertidumbres acerca de su composición y estructura. En el núcleo, las técnicas geofísicas que investigan el interior de la Tierra, están sometidas a incertidumbres mucho mayores que en el resto del interior de la misma. La naturaleza líquida del núcleo exterior impide la transmisión de algunas de las ondas sísmicas (ondas “s” o de cizalla) que se utilizan para conocer las características de las distintas capas que configuran el interior de la Tierra. La composición del núcleo es conocida a partir de estudios indirectos que incluyen el conocimiento de la masa de la Tierra y su momento de inercia y la naturaleza de los meteoritos metálicos (irons), cuya composición se interpreta como similar a la del núcleo de la Tierra. Estos meteoritos están compuestos de una aleación de hierro y níquel que puede incluir un pequeño porcentaje de azufre, menor del 10% en forma de un sulfuro denominado troilita, y oxígeno.
El núcleo de la Tierra es el responsable de su campo magnético, el cual nos protege de las radiaciones mortales que emite nuestro Sol. La modelización de la composición, estructura y organización de nuestro núcleo ha despertado incontables preguntas acerca de cómo está organizado internamente y de cómo son los movimientos relativos entre el manto externo e interno que causan nuestro campo magnético. Los estudios más recientes nos indican la existencia de corrientes toroidales en el núcleo externo siguiendo un eje aproximadamente Norte-Sur. Además el núcleo interno se comporta como si estuviese compuesto por algo parecido a un cristal único (o una multitud de cristales que están alineados unos a otros) y algunos científicos postulan que esta configuración puede explicar las causas de la alta intensidad del campo magnético terrestre.
La historia de el campo magnético de nuestro planeta está registrada en la superficie de la Tierra, fundamentalmente en las lavas rica en hierro (por ejemplo los basaltos), en las cuales queda registrado cuando éstas se enfrían por debajo del punto de Curie (en torno a los 500ºC). Ya que el basalto es una roca muy abundante, que se forma en todas las dorsales centro oceánicas, poseemos un extraordinario catálogo de cómo han cambiado las propiedades del cambio magnético de la Tierra a lo largo de su historia, y con más precisión durante los últimos 200 millones de años. Estos estudios muestran de manera irrefutable como el campo magnético de la Tierra ha invertido su polaridad innumerables veces a lo largo de la historia geológica. De hecho, el estudio de estas inversiones fueron, en su momento, la piedra angular sobre la que se construyó la doctrina que permitió establecer la tectónica de placas, la deriva continental y la expansión del fondo oceánico. A pesar de su gran importancia, aún desconocemos cuales son las causas de estas inversiones.
De la nébula solar al aire que respiramos
Por mucho que valoremos nuestro conocimiento de los procesos que ocurren en el interior de nuestro planeta, es la existencia de una atmósfera “respirable” la que confiere a la Tierra su carácter único en el sistema solar (y en la medida en que sabemos, más allá del mismo). Esta atmósfera es la que ha permitido la existencia de vida durante al menos 3000 millones de años. Sólo por ese hecho, el origen de nuestra atmósfera merece unas líneas en este ensayo, las cuales únicamente pretenden llamar la atención del lector sobre la complejidad inherente al estudio del origen y posterior evolución de la atmósfera.
El origen. Se considera que la atmósfera terrestre tiene un origen secundario, lo que lleva implícita la existencia de una hipotética atmósfera primigenia “capturada” gravitacionalmente de la nube de gas a partir de la cual se formaron el sol y los planetas. Existen numerosas evidencias en contra de un origen primario para la atmósfera actual, aquí citaremos un ejemplo ilustrativo: el cociente entre las concentraciones de Nitrógeno y Neón (N/Ne) es aproximadamente 1 en el Sol mientras que en la atmósfera terrestre esta relación está en torno a 86000. Si esto es así, o bien el Neón escapó de la atmósfera terrestre de una manera 86000 veces “más eficiente” que en el Nitrógeno (y no existe ninguna razón para asumir o explicar tal situación) o bien en Nitrógeno fue introducido con posterioridad en algún tipo de condensado y por lo tanto tiene un origen secundario.
La idea actualmente aceptada es que la atmósfera (secundaria) se formó con posterioridad al evento de formación de la Luna como consecuencia de la colisión entre la Tierra y otro planeta durante los primeros 50 millones de años de historia de la Tierra.
El impacto posiblemente fundió una importante proporción del manto terrestre creando una nube de vapor de silicatos alrededor de la Tierra. A medida que de esta nube caía una “lluvia de silicatos”, la parte volátil de la nube incrementaría su abundancia relativa, eventualmente dando lugar a una proto-atmósfera de CO2, CO, H2O y H2, con la mayor parte del agua aún disuelta en el manto. Las temperaturas calculadas para la superficie de la Tierra después de este “diluvio primigenio” dependen de la cantidad de CO2 en la misma, pero podrían haber alcanzado los 500K. La manera en que la atmósfera evolucionó a partir de este estadio inicial depende severamente de cómo la corteza y el manto han evolucionado química y térmicamente (nótese que dependiendo del modelo utilizado, durante los primeros 100 millones de años la superficie de la Tierra podría haber sido infernalmente caliente o polarmente fría, o bien se fueron alternando ambos episodios).
Desde la perspectiva humana (y de otras especies) hay un aspecto que consideramos interesante mencionar: se sabe que la atmósfera más temprana contenía muy poco oxígeno pero la abundancia actual de dicho elemento en la atmósfera es del 21%. La mayoría de los especialistas están de acuerdo que el cambio de una atmósfera esencialmente anóxica a una atmósfera óxica tuvo lugar hace aproximadamente 2500 millones de años (al final del Eón Arcaico). Las evidencias de este cambio se encuentran en las rocas que registran la aparición de sedimentos “rojizos”, que reflejan la oxidación del hierro ferroso (Fe2+) a hierro férrico (Fe3+). Como cabe esperar, la propia evolución del oxígeno en la atmósfera esta condicionada por la evolución de otros elementos y compuestos, tales como el azufre y el metano.
Finalmente, es evidente, como ocurre con otros procesos de evolución de la Tierra a todas las escalas y “profundidades”, el conocimiento parcial que tenemos de los mismos hacen muy difícil predecir futuros cambios significativos en el funcionamiento de nuestro planeta y en particular de nuestra atmósfera. En la medida en que los datos nos permiten interpretar, la atmósfera ha tenido una composición más o menos constante durante los últimos 540 millones de años (a partir del inicio de la Era Paleozoica). Esto se debe en gran medida a la acción combinada de la tectónica de placas y procesos superficiales que han permitido un balance más o menos estable del CO2, expulsado hacia la atmósfera por la actividad volcánica y “secuestrado” por la precipitación de rocas carbonatadas y la formación de combustibles fósiles. Nuestra actividad industrial, la quema de dichos combustibles altera de manera artificial dicho balance, añadiendo una incógnita más a la ya complicada ecuación que gobierna la evolución de la cubierta gaseosa de nuestro planeta.
Los supercontinentes, ¿Ciclos o accidentes?
Los supercontinentes se pueden definir como masivas aglomeraciones continentales que aglutinan a la mayor parte de la litosfera continental de la Tierra a lo largo de un periodo de tiempo determinado de la historia geológica de nuestro planeta. Los supercontinentes se hayan siempre rodeados por superocéanos.
La pasada existencia del supercontinente conocido como Pangea, rodeado por el superocéano llamado Pantalasa (Figura 3a) es uno de los dogmas de la tectónica de placas. Esta geografía global formada por un supercontinente fue protagonista del mundo desde el fin del Carbonífero (hace 299 millones de años) hasta 100 millones de años después, cuando Pangea comenzó a disgregarse y dispersarse entre hace 200 y 100 millones de años dando lugar a la existencia del Océano Atlántico y cambiando progresivamente hacia nuestra geografía actual.
Pangea se formó por la convergencia de varios continentes que, debido a la subducción de la litosfera oceánica que los separaba, sufrieron la consiguiente colisión continental que se produce una vez consumida esta. El resultado de esta amalgama continental es un periodo de tiempo en el que se crearon grandes cadenas montañosa en todo el planeta entre hace 400 y 300 millones de años. A medida que la datación geocronológica de eventos geológicos se va haciendo más precisa se va poniendo claramente de manifiesto que los grandes episodios en los que se generaron cadenas montañosas se hallan concentrados en intervalos temporales relativamente cortos, separados en el tiempo entre 500 y 350 millones de años y que ocurrieron a escala global. Los episodios de generación de cadenas montañosas que precedieron la formación de Pangea se concentran en épocas en torno a hace 650-600, 1100-1000, 1600, 2100 y 2600 millones de años. Similarmente a lo que ocurre con la formación de Pangea, estos episodios son interpretados comúnmente como épocas en las que se produjo la amalgamación de un supercontinente y la mayor parte de los científicos sostienen que Pangea no es más que el último de la serie de los supercontinentes que se han amalgamado y posteriormente dispersado en los últimos 3000 millones de años. La rotura y dispersión de los continentes se encuentra marcada por la inyección de rocas fundidas, magma, en fracturas, seguida de la generación de antiguos márgenes continentales a lo largo de las costas de los continentes en dispersión.
Los continuos y repetidos ciclos de generación y destrucción de los supercontinentes han tenido un profundo efecto en la actividad magmática, y por tanto, en la evolución de la corteza terrestre y de la presencia de gases de efecto invernadero en la atmósfera, y su consiguiente efecto en el cambio climático y en los efectos del mismo sobre la vida. Existe un intenso debate en la comunidad científica acerca de si la amalgamación de continentes no es más que el resultado inevitable de la deriva de la litosfera continental, que flota sobre la astenosfera, o si, por el contrario, son los patrones de las corrientes presentes en el manto los que dirigen a los continentes hasta juntarlos en un único lugar para posteriormente separarlos de nuevo y volver a juntarlos una y otra vez. El geofísico americano Don Anderson atribuye la rotura de los supercontinentes a la capacidad aislante de los mismos, que impide la disipación del calor generado en el manto. De esta manera, el manto bajo los supercontinentes se calentaría anormalmente lo que originaría la presencia de grandes volúmenes de fundidos de naturaleza basáltica debajo del supercontinente a medida que el manto se va fundiendo. Este calor hace que el supercontinente sea levantado ligeramente en su centro y se arquee, fracturándose e iniciando la rotura de los continentes a medida que el magma aprovecha las fracturas para ascender a la superficie. A medida que este proceso progresa, los continentes se hacen progresivamente más finos hasta que se separan uno de otro completamente y nace un Nuevo océano entre ellos. En este modelo el creciente calor del manto bajo los supercontinentes hace que su rotura sea inevitable. Recientemente se han datado grandes enjambres de diques basálticos que tienen edades que se corresponden con momentos en los que los continentes fueron fracturados, lo que apoyaría la idea de que la rotura y dispersión de los supercontinentes pueden estar relacionados con la acumulación de calor bajo los mismos.
Por otro lado, reunir de nuevo los continentes para formar un supercontinente requiere que se generen zonas de subducción en los océanos situados entre los mismos. Sin embargo los procesos que llevan al inicio de una zona de subducción no están bien establecidos. Una teoría propone que cuando la litosfera oceánica es lo suficientemente antigua, es más densa y por tanto es inestable gravitacionalmente, deja de flotar sobre la astenosfera y comienza a subducir espontáneamente, de manera especial en zonas de fractura, más débiles. Las zonas de subducción en el Pacífico occidental son interpretadas como un ejemplo de este proceso, ya que la mayoría de la litosfera oceánica que ha subducido tiene más de 150 millones de años de antigüedad. La subducción de la litosfera oceánica puede arrastrar (slab pull, ver más arriba) a la litosfera continental presente en la misma placa tectónica hacia la zona de subducción. Así, de manera general, la mayor parte de la corteza continental hoy en día deriva hacia las zonas de subducción que rodean el Océano Pacífico y si este movimiento no cesa, en el futuro existirá un nuevo supercontinente, denominado “Amasia” por Paul Hoffmand, de la Universidad de Harvard (Figura 3b).Por el contrario, a medida que el Océano Atlántico se hace más ancho y su litosfera oceánica se hace más antigua, es posible que en sus márgenes se puedan iniciar una o varias zonas de subducción a lo largo de zonas de fractura más débiles, como indican algunos modelos geodinámicos recientes. Si sucediese esto, una posibilidad factible es que el Océano Atlántico se cierre de nuevo, generando un nuevo supercontinente que se parecería a Pangea y que Chris Scotese, de la Universidad de Texas, ha llamado “Pangea Ultima” (Figura 3c).
¿Cómo y cuándo cesará la tectónica de placas? ¿Existe una geografía final de la Tierra?
Dado que hay muchos aspectos desconocidos acerca de como ha funcionado nuestro planeta en el pasado, es difícil hacer predicciones de cómo funcionará en el futuro. Sin embargo, se han hecho algunos intentos de predecir como la tectónica de placas configurará nuestra geografía en el futuro. Los modelos que se construyen en la actualidad mantienen las direcciones y velocidades de movimiento de las placas, lo que es una aproximación extremadamente simplista. Esta limitada forma de predecir nuestra geografía futura nos muestra fehacientemente la falta de entendimiento que tenemos de las causas primarias de los movimientos de las placas y de que no podemos anticipar de ninguna manera los posibles cambios en los patrones de movimiento al desconocer completamente el delicado equilibrio de fuerzas que conducen la dinámica de la Tierra.
La dificultad a la hora de predecir si las dos mayores masas continentales del planeta continuarán con su movimiento actual para cerrar el océano Pacífico, formando Amasia, o si van a invertir su movimiento relativo para, por el contrario, cerrar el Océano Atlántico amalgamándose en Pangea Ultima (ver más arriba y figura 3) es un ejemplo clarísimo de las investigaciones de primer orden que aún han de ser realizadas. Por otro lado, sabemos que si nuestro conocimiento de las geografías pasada, la paleogeografía de nuestro planeta, es válido entonces la figuración del próximo supercontinente será, seguramente, muy diferente de cualquier configuración que podamos predecir a partir de la geografía moderna.
Las preguntas más importantes que podemos hacernos son posiblemente: A medida que la Tierra continúa enfriándose ¿Cuándo llegará el momento en que el calor interno de la tierra sea insuficiente para servir de combustible a la tectónica de placas? y ¿Cuanto tiempo tardaran los procesos externos en lograr una configuración estable para nuestro planeta una vez que desaparezca nuestro motor interno?
Estas cuestiones meramente retóricas sirven para ilustrar algunos aspectos de las importantes investigaciones que aún quedan por hacer para conocer nuestro planeta. De la misma manera que estudiamos la historia humana, creyendo que saber de dónde venimos es una guía para saber a dónde vamos, cuanto mejor entendamos la historia de nuestro planeta, estaremos mejor preparados para poder utilizar los recursos que nos proporciona nuestra generosa Tierra de una manera más responsable y respetuosa con el medio ambiente, de manera que comprometamos nuestro futuro sobre la misma. Citando a Winston Churchill: “Cuanto más atrás seas capaz de mirar, más adelante podrás ver”.
¿Está la Tierra en medio de una autopista intergaláctica?
Usando el hilo conductor de la novela de Douglas Adams “Guía del autoestopista galáctico”, podemos prever la existencia de posibles situaciones en las que eventos accidentales, catastróficos e instantáneos puedan alterar cualquier secuencia de hechos que hayamos podido predecir.
Hasta ahora hemos discutido acerca de procesos que no entendemos completamente pero que podemos estimar, intuir o convertir mediante hipótesis en patrones que en ocasiones pueden ser razonablemente predecibles. De nuestro conocimiento del registro geológico sabemos que algunos de los eventos más importantes en la historia de nuestro planeta (por ejemplo la formación del sistema Tierra-Luna, las abundantes extinciones biológicas masivas, por no mencionar el posible origen de la vida en sí o el reinicio del reloj evolutivo mediante las mencionadas extinciones) fueron causados por procesos que no están relacionados con la tectónica de placas y que pueden haber tenido causas extraterrestres, como el impacto de grandes bólidos espaciales o grandes erupciones de la corona del Sol.
Estas incertidumbres imprevisibles añaden más “especias” a al caldo de la falta de linealidad de los procesos impredecibles, que conocemos únicamente de manera parcial. Como se cita en la “Guía del autoestopista galáctico”, nuestro planeta es únicamente un pequeño punto en un océano galáctico de posibilidades.
Algunas reflexiones acerca de las Ciencias de la Tierra y sus científicos.
Nuestra sociedad percibe, y en gran medida cree, que los científicos dedicados a las Ciencias de la Tierra son románticos coleccionistas y recolectores de fósiles o viajeros empedernidos en busca de extrañas rocas y minerales. En el caso de que esta imagen haya sido fiel reflejo de la realidad alguna vez, en la actualidad está absolutamente desfasada. Los geólogos y geofísicos acarrean la tarea de conocer, desarrollar y entender los procesos que ocurren en nuestro planeta, de cómo estos han cambiado a lo largo del tiempo y de cómo usar el conocimiento obtenido para encontrar los recursos necesarios para mantener a la humanidad, al mismo tiempo que promueven la responsabilidad de mantener en buenas condiciones nuestro medio ambiente.
Los gobiernos de la mayor parte del mundo destinan a las Ciencias de la Tierra, presupuestos que son claramente insuficientes, especialmente si se tiene en cuenta o se el valor que tienen los recursos obtenidos para nuestra economía o cuando se comparan con la financiación de otras ciencias cuya aplicación inmediata se aleja mucho de los beneficios que se obtienen mediante el desarrollo de las Ciencias de la Tierra.
Sin embargo, es necesario decir que la reciente inquietud de los gobiernos acerca de las posibles amenazas medioambientales, tales como el calentamiento global, ha servido para aumentar los recursos destinados a las Ciencias de la Tierra, aunque la mayor parte de ellos solo hayan sido destinados a aquellos equipos cuya especialidad se relaciona directamente con el registro de los cambios climáticos recientes. Desde nuestra perspectiva humana como especie, entender los mecanismos íntimos de los procesos que conforman nuestro planeta en conjunto es crucial para entender los ciclos naturales del mismo, y estos ciclos ocurren de acuerdo con la escala del tiempo geológico, muy distinta de la que estamos acostumbrados a percibir.
Como colofón, nos gustaría hacer énfasis en que el abandono de la enseñanza de las Ciencias de la Tierra en muchos sistemas educativos de todo el mundo, hecho que puede ser perfectamente ejemplificado en por el caso español, donde no se imparte la asignatura de geología en ningún curso de su sistema educativo, es extremadamente peligroso, ya que estamos construyendo una sociedad que no se preocupa de los procesos que han construido la arquitectura actual del planeta en que vive. De esta manera es mucho más difícil ser consciente de los problemas medioambientales, que están profundamente enraizados en el desacoplamiento del ritmo que tienen los procesos geológicos naturales y el del desarrollo de la humanidad. Así, ¿nos encontraremos alguna vez en una situación en la que se nos pida que respetemos y protejamos a un planeta que desconocemos casi completamente?, ¿sabremos que hacer en ese caso?
Text in English
Year of the Planet Earth: What we know and what we don’t know about our planet
“The earth, instead of appearing as an inert statue, is a living, mobile thing.”
(J. Tuzo Wilson, 1968)
Gabriel Gutiérrez-Alonso, J. Brendan Murphy and Javier Fernández-Suárez
Introduction
Promoted by UNESCO and the International Union of Geological Sciences (IUGS), the International Year of Planet Earth, runs from January 2007 to December 2009, and aims at ensuring greater and more effective use by society of the knowledge accumulated by the world’s 400,000 Earth scientists. Its ultimate goal is to build safer, healthier and wealthier societies around the globe, as expressed in the Year’s subtitle ‘Earth Science for Society’. The International Year, the central year of the triennium (2008) has been proclaimed by the UN General Assembly as the UN Year. The UN sees the Year as a contribution to their sustainable development targets as it promotes wise (sustainable) use of Earth resources and encourages better planning and management to reduce risks for the world’s inhabitants.
In order to strive towards these lofty goals, we must have a frank assessment of how much we know about our planet. Although Earth Science is a young discipline, its knowledge baggage has been boosted in recent years, especially in the understanding of the interactions between the solid earth, hydrosphere, atmosphere and biosphere, and the relationship between these interactions and environmental issues such as global warming, biodiversity and ozone depletion.
Most of the resources needed by our civilization, such as energy, raw materials, and groundwater are the result of geological processes that, in some cases, are poorly understood. Society is not aware that the demand for basic items is what drives metal exploration, as for example we need special, and scarce, metal alloys in our cell phones or digital televisions. Society has emphasized the exploitation of these resources over the understanding of the processes involved in their formation. Economics of mining fossil fuels, minerals and groundwater has dictated that many of our most important resources are almost exhausted, without the requisite knowledge that would help society find more resources. This short-sighted approach to resource exploitation is facilitated by the lack of understanding by society and policy makers of the role of Earth Scientists in finding the resources that underpin the welfare of society, a condition that is seeded by a lack of geologic education in the pre-university courses in most national education plans all over the world. Where geology is taught, its contents are usually outdated and communicated by teachers with no background or passion for the subject.
The Earth’s Layers
The Earth is composed of several concentric layers with different chemical composition and physical properties. In general, the planet is layered according to density, from the lightest molecules in the atmosphere, to the densest elements (e.g. iron and nickel) that dominate the core (Figure 1). Knowledge of the gaseous part of our planet has been intensely probed and studied by spacecrafts sounding rockets and balloons and aircrafts. The outermost portion of our atmosphere is defined at the limit of the Earth’s gravity field. This limit is about 10,000 km above the Earth’s surface where the atmosphere consists of scarce free protons and electrons and some Helium atoms that are bombarded by solar radiation. The upper atmosphere extends to about 640 km above the surface and is called the Exosphere. Below it, down to 85 to 80 km of height the Thermosphere consists of a few molecules and the ISS orbits the Earth within it. Atmospheric pressures are exceedingly low, but temperatures vary from about 1300oC to 300oC in 11 year cycles that correlate with the sunspot cycle. An important sublayer located within the Thermosphere is the Ionosphere at ca. 100 to 200 km, which is formed by a concentration of electrons and plays a fundamental role in the transmission of radio waves. The interaction between the ionosphere, the Earth’s magnetic field and solar wind is responsible for the auroras seen at high latitudes. Below the Thermosphere, the Mesosphere extends down to an elevation of 50 km and is where most meteors burn and so this layer protects us from their impact. Beneath the Mesosphere, the Stratosphere extends to about 12 to 8 km above the surface (depending on latitude), and includes an important sub-layer, the ozone layer, that protects us from deadly ultraviolet radiations near the lower boundary of this layer. Annual changes in the ozone cover above the polar regions cause dramatic changes in the UV radiation in those regions that can threat life on Earth. Beneath the stratosphere, is the Troposphere which extends to the Earth’s surface. The Troposphere, derived from the Greek tropos, which means “to mix” or “turn” is a turbulent layer where the main atmospheric circulation occurs, driven, in large part, by contrasts in temperature, pressure and humidity of air at high and low latitudes. Such contrasts, together with the spin of the Earth which imparts a Coriolis force, is responsible for changing weather and climate and sustains life.
Below the atmosphere but above the solid Earth, the Hydrosphere covers more than 70% of the Earth’s surface. The Hydrosphere is a global system that regulates the climate of our planet and makes life possible. Today, 97.2% of the Earth’s surface water is in its oceans, 2.15% in glaciers and 0.63% in groundwater (although most of the Earth’s water is, in fact, in the mantle as part of some minerals). The amount of water stored in glaciers has varied significantly throughout geologic time, as the ice sheets wax and wane. The Hydrosphere consists of 1.35 × 1021 kilograms of water (about 1/4500 of the whole Earth’s mass) in liquid and solid form. The presence of the Hydrosphere makes our planet unique within the Solar System and its existence is of crucial importance to the sustenance of life as we know it. Ocean water circulation is described by the dynamic concept called thermohaline circulation, which was developed in the late 20th century and states that temperature, salinity and density contrasts between equatorial and polar waters drive the circulation of global scale density-driven currents which transport heat and nutrients. The presence of polar ice sheets is an essential component of this model, in that it sustains the temperature and density contrasts that drive thermohaline circulation. Modern satellites have documented an increase in the rate of loss of high latitude icecaps, and computer models show that continued loss would affect the stability of thermohaline circulation.
The Solid Earth, also known as the Geosphere, is an almost spherical body with an average radius of 6370 km, and a mass of ca. 6.0 × 1024 kg. It is a little wider at the equator than at the poles. Its density is 5515 kg/m3, the highest density of the Solar system planets. Direct observation of the Earth’s interior is limited by the depths of drill holes. The deepest drillhole performed in the world reached 12.262 km in the Kola Peninsula in 1994, little more than 0.2% of the radius of the planet. As a result, most of the evidence of the Earth’s internal layers is indirect.
The layers that form the Solid Earth, from top to bottom can be classified according to two criteria, its chemical composition and mechanical properties. Much as an X-ray can reveal the hidden composition of a patient, the systematic study of the passage of seismic waves through the Earth has facilitated the division of the Earth into layers on the basis of its contrasting mechanical properties. These layers are (from top to centre):
(i) the Lithosphere, which is the hard outer shell of the Earth. Except near ocean ridges, this rocky sphere extends down to a depth of ca. 100-150 km and includes all the oceanic crust (5-9 km thick, primarily composed of volcanic rocks such as basalt) and all continental crust (25 to 70 km consisting mostly of aluminium silicate rocks such as granite beneath a thin veneer of sediments). Beneath the crust is the upper mantle, which is composed mostly of peridotite (a relatively dense rock dominated by Fe-Mg silicate minerals such as olivine and pyroxenes and contains less silica than the crust). The mechanical strength of peridotite, which is rigid to depths of 100-150 km and at temperatures lower than 1100oC, defines the base of the lithosphere
(ii) the Asthenosphere (derived from the Greek asthenos, meaning “weak”) is a part of the mantle that extends down to 250-400 km and flows in a plastic manner convectively dissipating heat from the Earth’s interior. The asthenosphere contains a small percentage (about 5%) of magma. This weak layer allows the lithosphere above it to move as rigid plates (see below). The asthenosphere and the rest of the mantle rocks down to 660 km form what is known as the Upper Mantle.
(iii) The Lower Mantle extends to a depth of 2890 km. Although it is solid, its high pressures and temperatures are close to the condition required for melting, which allows it to flow slowly in a process called creep.
The mantle as whole, therefore, includes the lowermost part of the lithosphere, the asthenosphere, and the lower mantle. Although its chemistry is dominated by iron and magnesium silicates, the minerals that house that chemistry change due to the changes in pressure and temperature with increasing depth. This changing mineralogy affects the mechanical properties of the Earth’s interior and so plays a key role in the definition of the Earth’s internal layers. The upper part of the mantle is composed of olivine and pyroxene, but at 400 km depth (i.e. the base of the asthenosphere), its structure changes to beta- and gamma spinels. Between 650 and 670 km, a mineral called perovskite forms, and the reaction that results in the formation of this mineral corresponds with the boundary between the upper and lower mantle. At the bottom of the mantle, and encircling the boundary with the Earth’s core is a layer (known as D’’) with characteristics that are under intense debate (see below).
(iv) the Core extends to the centre of the Earth. It is subdivided into an outer core, which is liquid consisting of a complex alloy of iron, nickel and sulphur and/or oxygen, and the inner core (1220 km in radius) which is solid and is composed by a nickel-iron alloy recently interpreted to behave like a single crystal (although this interpretation is under debate). The iron-rich mass of the core is responsible for the anomalous density of our planet. Its origin has been interpreted recently due to a collision with another planet in the earliest times of the Earth history (ca. 4500 Ma ago) whereby this collision transferred the other planet’s core to the earth. According to this model, the lighter ejecta were thrown into space from the cataclysmic collision, and some of it amalgamated to originate our companion, the Moon which has an average density of 3300 kg/m3. Other models of core formation claim an inhomogeneous accretion of material during Earth formation that resulted into the gravitational differentiation of the Earth’s core where the denser elements concentrated.
Independently of how the core was formed, circulation in the liquid outer core creates a dynamo that is responsible for the intense magnetic field that we detect when we use compasses for orientation. The magnetic field protects us from deadly solar and cosmic radiations and recent investigations point to the higher angular speed of the innermost core relative to the outer one as being responsible for the special characteristics of the dynamo, including the prevalence and intensity of the intense magnetic field that we enjoy in our planet in contrast with other terrestrial ones.
The layered structure of our planet formed very early in the Earth’s evolution and reflects the history of the dynamic processes that have occurred throughout geologic time. We can observe and measure many of the dynamic processes that take place in the modern atmosphere and the hydrosphere (e.g. weather systems and ocean currents) but this is but one frame in an action movie billions of years in duration. From such a short sampling interval, it is difficult to predict how these processes will evolve with time. Fortunately, interactions between the atmosphere, hydrosphere and lithosphere throughout geologic time mean that much of this information is archived in the rock record. For example, detailed analyses of changing rock types and their fossil content has facilitated the construction of changes in sea level over the past 550 million years, and periods of intense volcanic activity are correlated with changes in the composition of the atmosphere and ocean water, with profound consequences for the evolution of the biosphere.
Processes that occur below the Earth’s surface have played an equally important role in the evolution of our planet, and the coupling between those processes and those that occur in the hydrosphere, atmosphere and biosphere. For example, the distribution of continents, which are always changing when considered on a geologic time scale, are powered by convection within the mantle. The Earth’s ever-changing geography has had profound consequences for circulation with the atmosphere and hydrosphere and therefore is an important contributor to the natural pace of climate change.
It is difficult for the general public to grasp the cumulative effects of the geological processes that have shaped the Earth because most of these processes operate on time scales that are many orders of magnitude longer than an average human life, or even the whole existence of mankind. However, it is essential to realize that these same processes, operating over millions, or even billions of years, are those which have provided mankind with the environment and the materials that have permit the advance of civilization. Many earth scientists believe that the modern environmental problems are the result of this fundamental lack of understanding. Resources such as fossil fuels and metals were formed at geological rates but are being consumed by society at rates determined by human demand. From a geologists’ perspective, it is the overwhelming mismatch between these two rates that places stresses on the Earth’s environment, and so to understand these stresses we must learn more about the processes that formed these resources. The lack of earth science education in our society, which has been removed from the schools in most countries in the world, precludes the understanding of our planet and our role as stewards of the Earth’s environment. Indeed most policy-makers have little or no background in earth science.
In this essay, we survey what we know and what we do not know about the processes that govern the slow, yet relentless evolution of Planet Earth and we discuss the need that for a citizenry that is more knowledgeable about Earth Science.
What we know: plate tectonics, the paradigm.
In the second half of the 20th century, Earth Sciences underwent a scientific revolution which culminated in the paradigm of plate tectonics. The plate tectonic concept is as entrenched in the literature as evolution is in Biology or the “Big Bang” is in Astrophysics. The plate tectonic paradigm resulted from the integration of different concepts developed during the 20th century, starting with the concept of continental drift most cogently argued by Alfred Wegener in 1912. Arthur Holmes in 1929, proposed a mechanism that could explain the driving forces of continental drift, which Wegener had failed to do, based on convection currents in the interior of the Earth. His ideas were taken up in the early 1960’s by R. Deitz and H. Hess to propose one of the most important concepts in plate tectonics, sea floor spreading. These concepts were synthesized in 1967-68 fundamentally by D.P. McKenzie, R.L. Parker, J. Morgan, X. Le Pichon, and J.T. Wilson, among others, into what we know now as the plate tectonics paradigm. Since that time, a wealth of data has been added to this theory although many of the details are still been worked out. A summary of this theory is outlined in the following paragraphs.
According to the theory of plate tectonics, the solid Earth rigid lithosphere layer generally 100 to 150 kilometers in thickness rides on top of the hot, plastic (meaning deformable) asthenosphere as described above. Like a cracked eggshell, the lithosphere is broken into about twenty slab-like fragments, or plates, which creep around the globe at less than 10 centimeters per year. As they move, they may crash together, rip apart or slide past one another, and these interactions are most intensely felt at or near the plate boundaries. In the short term, these interactions create stresses near plate boundaries that are relieved by earthquakes. Over millions of years, however, mountains rise where plates collide, and oceans form above the new crust created between diverging plates. The continents are embedded in the plates and drift passively with them. Over millions of years, this motion opens and closes entire ocean basins. For example, the sundering of the Americas from Europe and Africa during the past 180 million years has opened the Atlantic Ocean, and it continues to grow. In this way, the world map that we recognize today is but one frame in a continuous movie. The force that moves these continents comes from beneath a submarine ridge that runs the entire length of the Atlantic basin and is part of a global network of mid-oceanic ridges. At these sites, hot magma upwelling from the underlying mantle cools and solidifies thereby creating new lithosphere on the ocean floor. As new lithosphere is created, plates on either side of the ridge are pushed apart (Figure 2a). Because Earth has a constant surface area, the creation of new lithosphere must be balanced by the destruction of old lithosphere somewhere else, a process known as subduction. As the Atlantic basin opened over the past 200 million years, the westward march of the Americas has caused the Pacific oceanic lithosphere to be subducted beneath them. When plates converge, the denser plate is pushed beneath the lighter one and reenters the mantle, where it is partially consumed and recycled (Figure 2b). In general, oceanic crust is denser than continental crust, so plates capped by oceanic crust usually dive beneath plates capped by continental crust. Where two oceanic plates converge, the older and colder (and hence denser) lithosphere is preferentially subducted. Taken together, these processes preferentially subduct old oceanic lithosphere. Consequently, almost all of the oceanic floor that exists today is less than 180 million years old, whereas the continents contain rocks up to 4000 million years old.
Subduction is either directly or indirectly responsible for mountain building, or orogeny (from the Greek oros, meaning mountain). As cold, dense oceanic plates descend into the Earth’s interior, they heat up, triggering events above the subduction zone, including the creation of buoyant molten rock, or magma. This magma ascends to fuel volcanoes and heats the adjacent crust to create mountains (Figure 2c). The Andes are a classic example of such mountain building activity, as subduction has occurred along the western margin of the South American plate since the breakup of Pangea, 200 million years ago.
All modern oceans contain islands, such as New Zealand or the Philippines, (collectively termed terranes) (Figure 2d). Eventually, most of these terranes will collide with a continental margin, when the oceanic floor between those landmasses is consumed by subduction. The ensuing collision results in magmatic activity and rock deformation, and is another form of orogeny. Such is the case in western North America, where the collisions of many terranes during the past 200 million years have added some 500 kilometers onto the western edge of the North American plate.
A third form of orogeny occurs if the subducting plate carries continental crust. The collision between continents occurs when the intervening oceanic crust has been subducted. When the relatively buoyant continental crust enters the subduction zone, the subduction process is impeded. Although recent data suggests that the continental crust can be dragged down to depths of 100 km, eventually subduction terminates. Because subduction must precede collision, this third form of orogeny is typically superimposed on an earlier Andean-style orogeny. The end result is the construction of huge mountains, such as the Himalayas, which formed by the collision between India and southern Asia, and the Alps, created by the crush of northern Africa against southern Europe (Figure 2e).
Some things that we don’t know (and we should).
In this section we will explore some relevant issues that remain unknown, unexplained or controversial in the Earth Sciences, especially those related with processes that take place in the interior of the Earth, and we show their relevance to understanding the evolution of our dynamic planet and to the genesis of the resources that mankind needs. There are, of course, many other issues that are relevant, and we do not intend to be exhaustive in enumerating and discussing them. Our view is personal, slanted by the topics we work on, and our research expertise.
What is the force balance that moves the plates?
Ever since the Plate Tectonics concept gained wide acceptance, the origin of the forces that produce the movement of the plates has been hotly debated. Prior to this, Arthur Holmes postulated that continental drift was the result of slow movement of hot, soft mantle beneath the continents carried the continents passively on a conveyor belt. The origin of this movement in the mantle is related to “convection”, a process similar to the flow of the liquid within a boiling pot of soup, but infinitely slower. Although we now know that the continents are embedded in plates, to a first order this same concept can be applied to the motion of the Earth’s lithospheric plates. Mantle convection is caused by the heat present in the interior of the Earth. This heat has two major components; residual heat lasting from the formation of the Planet and new heat caused by the steady decay of radioactive elements (e.g. uranium, thorium potassium) in the Earth’s interior. In the 1990’s two concepts emerged as alternative potential forces to those imposed on the plates by simple convection. “Ridge push”, the intrusion of magma in the oceanic spreading ridges, was claimed to be the force that propelled and kept the plates moving. Alternatively, “Slab pull”, this is to say the gravity-driven pulling force caused by the denser lithosphere being pulled down into the asthenosphere in subduction zones, dragging the rest of the plate with it. Slab pull has been recently considered to be the main driving force of plate tectonics. Recent advances in seismic tomography, seem to indicate that the gravity driven subduction of cold lithosphere through the whole mantle as far as the core-mantle boundary, is what sets the stage and triggers the convection cells within the mantle. Many geoynamicists believe that the forces caused by the outer colder and denser lithosphere while it sinks into the mantle may account for about 90% of the force needed to drive plate tectonics.
As we can see, we have some ideas about the forces that work deep within the Earth’s interior and drive plate motion, but we need a deeper knowledge in order to fully understand the details and to balance all the possible acting forces driving plate tectonics. At present, none of the proposed mechanisms can explain by itself the details of plate movement; because these forces are so difficult to measure and study, and no proposed mechanism can be tested directly. The fact that tectonic plates have moved in the past and are still moving today is beyond dispute, as can be proven by the modern measurements performed by very precise GPS systems or other geodetic systems, but the details of why and how they move will continue to challenge scientists far into the future.
Did plate tectonics rule since the early stages of the earth evolution?
As indicated previously, plate tectonics is considered nowadays the paradigm that explains most of the processes that take place in our solid Earth and shaped its geography through time, and there is also agreement in stating that there are no equivalent processes operating on the other terrestrial planets in our solar system. Nevertheless, there is great controversy on when and how plate tectonics began in the Earth. Most Earth scientists agree that the style of plate tectonics and must have changed as the Earth has cooled through time. As the flow of heat is the prime driving force of plate tectonics, there is a strong possibility that an older, hotter Earth had a different force balance. The main discussion on how or when plate tectonics started is hindered by the scarce rock record of the early Earth history. There is agreement among Earth scientists that the Archean (older than 2500 million years) mantle was hotter than it is today, but there is no general consensus on how much hotter it was. The main question seems to be if the process of subduction happened as it does nowadays, or if it was less steep due to thicker, more buoyant, oceanic lithosphere which could not subduct as deep as it does in present day conditions (see below). There is also discussion on whether or not plate tectonics started and stopped several times throughout Earth history (as life might or might not). This question remains open and some scientists argue that the onset of plate tectonics started around 700 millions of years ago, coinciding with an epoch in which dramatic ice ages that froze the whole planet surface took place. At the other extreme, other geoscientists believe that “modern style” plate tectonics has acted since at least 3100 million years, and even before 4000 million years ago, as suggested by the production of volcanic rocks similar in chemistry to those that occur near modern subduction zones and by the geochemical and isotopic record of zircon, (a zirconium silicate present in most terrestrial rocks). The isotopic composition of hafnium and oxygen in zircons formed between 4000 and 4400 millions of years point to the presence of “cool” and evolved continental crust in the very early stages of earth evolution, which has lead many scientists to surmise that a mechanism akin to present day plate tectonics might have existed in the dark ages of earth.
Is the D’’ layer a plate graveyard?
One of the most discussed features of the Earth’s interior is the nature and significance of the D’’ layer, located at about 2900 km depth. This layer is up to 200 km in thickness and occurs along the boundary between the mantle and the outer core (Figure 1). The name of this layer was given by the geophysicist Keith Bullen, who divided the Earth interior in several layers (A to G), being D what we now as the lower mantle, based on the properties of the seismic waves that went through them. He divided the D layer into called D’ and D’’ respectively. The importance of the D’’ layer is that it has a very irregular topography, and it is the place where the mantle plumes (Figure 2f), areas where there is hot upwelling mantle, are thought to be triggered. The nature of this layer is controversial. Some authors consider it to be composed of the same material as the rest of the mantle, but dominated by a mineral called post-perovskite which has a crystalline structure that is stable only at ultra-high pressures and temperatures. Other authors consider this layer to be the graveyard of the subducted oceanic lithosphere, which is then recycled into the mantle and re-melts (Figure 2g) producing the aforementioned mantle plumes. Isotopic studies of volcanic rocks from ocean islands that sit above mantle plumes suggest that these magmas were contaminated by subduction zone components.
The fate of the subducted lithosphere is well known until approximately 650 km of depth (the base of the upper mantle), where there is a mineral phase change that makes the mantle more stiff and hard for the subducting lithosphere to go through (Figure 2h). This phase change produces the conversion of the peridotitic mantle, predominantly composed of a magnesium silicate called olivine, into a mantle dominated by a mineral with a perovskite-type structure, which has a similar composition to olivine, but a more compact and denser packaging of its constituent ions.
As can be seen from the discussion above, there are still significant uncertainties about the nature and behaviour of the materials that form the mantle. Recent advances in analytical techniques allow tracing of isotopes never analyzed before. Experiments using the diamond anvil cell can replicate the pressures and temperatures within the mantle and can investigate mineralogical changes under those conditions. The higher resolution of the seismic tomography techniques that can unravel the geometry of the subducting slabs with more accuracy through the 650 km boundary and help deduce the architecture of mantle convection cells.
How does the core work?
Because the core is much more inaccessible than the mantle, there are even more uncertainties regarding its composition and structure. The geophysical probing of the interior of the Earth fails to obtain the same accurate data as in the rest of the Earth’s interior. The liquid nature of the outer core precludes transmission of some of the seismic waves (the “s” or shear waves) used to obtain the characteristics of the different layers of the Earth interior. Regarding the composition of the core, we can get indirect clues by studying the mass of the earth and its momentum. Through the study of metallic meteorites (“irons”), which are interpreted to have a composition similar to the Earth’s core, also provides important information. These meteorites are composed of an iron-nickel alloy that might include a small percentage, less than 10%, of sulphur, in the form of an iron sulphide called troilite, and oxygen.
The core is responsible for the magnetic field that the Earth possesses and which protects us from deadly radiations from the Sun. Modelling of the core has raised many fundamental questions about how the core is organized internally and the relative motions of the outer and inner core to produce the Earth’s magnetic field. Recent studies point to the presence of toroidal currents in the outer core, following an approximate North-South axis. The inner core behaves as if it is dominated by a single crystal (or by crystals that are aligned parallel to each other) and some scientists propose this configuration as an explanation for the cause of the Earth’s magnetic field high intensity.
The history of the Earth’s magnetic field is recorded at the Earth’s surface in iron-rich lavas (e.g. basalts) as they cool below the Curie Point (about 500oC). As basalt is the dominant rock formed at mid-ocean ridges, we have an extraordinary catalogue of the changing properties of the Earth’s magnetic field over the past 200 million years. These studies conclusively show that the Earth’s magnetic field has reversed its polarity many times throughout geologic history. In fact the studies of these reversals were the key to constrain the processes that define plate tectonics, namely continental drift and the sea floor expansion. Despite its importance, the causes of these reversals are unknown.
From the Earth’s interior to “our” atmosphere and hydrosphere
However much we value our knowledge of the deep processes that take place in planet Earth, it is the existence of a “breathable” atmosphere what makes Earth quite special as far as we have been able to observe in the solar system and beyond; special enough to have sustained a biosphere for over 3000 million years. If only for that, the origin of our atmosphere is deserving of a few words in this essay, these words are only aimed at attracting the reader’s attention to the problems inherent to the study and modelling of the origin and evolution of the atmosphere.
The origin. Earth’s atmosphere is thought to be secondary which implies the existence of a hypothetical primary atmosphere, i.e. captured gravitationally from the primordial cloud of gas from which the sun and planets formed. Evidence against our atmosphere being primary is overwhelming, and we may cite but one example here: The solar ratio of Nitrogen to Neon (N/Ne) is close to unity whereas in the Earth’s atmosphere that ratio is around 86000. If that is the case, either Ne escaped from Earth 86000 times more efficiently than N (and there is no basis to explain or assume that) or a major source of N “came” in some kind of condensate and therefore it is of secondary origin. The currently accepted idea is that the (secondary) atmosphere was generated after the event that formed the moon via collision of the Earth with another planet (see above) within the first 50 million years of the Earth’s formation. The impact is thought to have melted a fair proportion of the mantle creating a cloud of silicate vapour around the Earth. As this cloud “rained” silicates back to earth, the volatile part of this cloud increased its relative abundance eventually leaving a hot “protoatmosphere” of CO2, CO, H2O and H2 with most of the water dissolved in the mantle. Surface temperatures after this primeval “deluge” depend on the amount of CO2 in the atmosphere but could have reached 500K when most of the CO2 remained in the atmosphere. How we envisage the evolution of the atmosphere from this point depends heavily on arguments and assumptions about how the mantle and the crust evolved chemically and thermally (note for instance that it is not known whether primordial earth in its first hundred million years of existence was infernally hot or bitterly cold or if there were alternating periods of both) and it is beyond the scope of this essay to discuss such topics.
From the perspective of the human (and any other) species, there is an important issue worthy of mention here. It is known that the earliest Earth atmosphere contained very little oxygen whereas its present day abundance is around 21%. Most specialists agree that the shift from essentially anoxic to oxic atmospheric conditions took place aprroximately 2500 million years ago (i.e., at the end of the Archaean Eon). The evidence for this change is found most obviously in the rock record with the appearance of red sediments, a colouring caused by the oxidation of Fe2+ to Fe3+. In addition, sulphur isotopes in these rocks experience a process called “mass independent fractionation” to a larger degree in an atmosphere with very low oxygen content. These models are complicated in detail and other gases (e.g. methane) are also thought to have played a key role in the evolution of the sulphur isotopes and in the abundance of oxygen itself.
Finally, it is evident, as for other aspects of Earth processes at all levels and depths, the many issues that we know only in part make it very difficult to predict future shifts in the composition of Earth’s atmosphere. Needless to say our tampering with CO2 and other gases as a result of industrial activity and the combustion of fossil fuels has added yet another element of complexity to the evolution of the gaseous shell of our planet.
Supercontinents, cycles or accidents?
Supercontinents can be defined as a massive formation of land that included conterminously most of the existing continental lithosphere in the Earth and that existed for some period of time in geologic history. Supercontinents were surrounded by superoceans.
The former existence of the supercontinent, Pangea surrounded by a superocean, Panthalassa is a fundamental tenet of plate tectonics (Figure 3a). This global geography dominated the world from the end of the Carboniferous (299 million years ago) and lasted for more than 100 million years ago until Pangea began to fragment and disperse between 200 and 100 million years ago resulting in the formation of the Atlantic Ocean and leading to our present day geography.
Pangea formed by the convergence of continents, involving the subduction of the oceanic lithosphere that lay between them followed by a series of continent-continent collisions. The result is a concentrated period of intense mountain building on a global scale between 400 and 300 million years ago. As geochronological dating of orogenic events has become more precise, it is clear that episodes of mountain building are concentrated in relatively short time intervals approximately 350 to 500 million years apart and are global in scale. Mountain building associated with the formation of Pangea was preceded by earlier episodes of concentrated mountain-building at 650-600 million and at 1.1-1.0, 1.6, 2.1, and 2.6 billion years ago. Like Pangea, these episodes are now widely interprted to represent times of supercontinent amalgamation, and most geoscientists maintain that Pangea is but the latest in a series of supercontinents that have assembled and dispersed over the last 3 billion years. Dispersal of supercontinents is indicated by injection of magma into fractures, followed by the development of ancient continental margins along the flanks of the dispersing continents.
Repeated cycles of supercontinent amalgamation and dispersal have had a profound effect on magmatic activity, and therefore on the evolution of the Earth’s crust, the abundance of greenhouse gases in the atmosphere, climate change, and life which responds to those changes. There is considerable debate in the geoscience community as to whether the amalgamation of continents is just the inevitable result of the drift of buoyant continental crust or whether there are flow patterns in the mantle that drive the plates together, pull them apart, only to reform them again. American geophysicist Don Anderson attributes breakup of a supercontinent to its insulating properties in impeding the escape of mantle heat. The mantle beneath the supercontinent would become anomalously hot, and vast volumes of basaltic magma would pond beneath it as the mantle melts. Eventually the supercontinent is arched upwards and cracks, intitiating the rifting of the continents as ascending magma exploits the fractures. As this process progresses, the continents get thinner, until they separate and a new ocean is born. In this model, the buildup of mantle heat beneath the supercontinent makes their breakup inevitable. In recent years, vast suites of basaltic magma, known as basaltic dike swarms, have been dated and yield ages consistent with the known ages of continental rifting. These data support the view that rifting and fragmentation of a supercontinent may be related to the heat buildup in the mantle beneath it.
The reassembly of continents into supercontinents requires that subduction must be initiated in the oceanic lithosphere between them. However, the processes that initiate subduction are poorly understood. One theory proposes that when old oceanic lithosphere becomes old enough, it becomes gravitationally unstable and spontaneously subducts, especially at weak fracture zones. The subduction zones of the western Pacific Ocean are held to be a modern example of this process as most of the subuducted oceanic lithosphere is in excess of 150 million years old. Then slab pull (see above) eventually hauls lithosphere capped by continental crust to the subduction zone. Indeed, to a first approximation, most continental crust is currently drifting towards the subduction zones that flank the Pacific Ocean, and if this motion continues a new supercontinent, dubbed Amasia by Paul Hoffman of Harvard University, will form (Figure 3b). Alternatively, as the Atlantic Ocean gets wider and its oceanic lithosphere gets older, subduction may initiate close to its flanks. Recent geodynamic models suggest that the subduction would initiate along weak fracture zones. If this happens, one possibility is that the Atlantic Ocean would close, resulting in a supercontinent that would resemble Pangea, dubbed Pangea Ultima, by Chris Scotese, University of Texas (Figure 3c).
How and when will plate tectonics stop? Is there a final geography of the Earth?
As there many unknown aspects about how our planet worked in the past, it is difficult to make predictions on how will it behave in the future. Nevertheless, there have been attempts at building models to predict how plate tectonics will be designing our geography in the future. The models built up to date are made using the present day rates of plate movements and the same kinematic vectors, which is an extremely simplistic approach. This limited way of “forecasting” our future geography highlights our lack of understanding of the primary causes of these movements and that we cannot anticipate the changing patterns because of the subtle balance of forces driving Earth dynamics.
The difficulty of predicting if the two major landmasses in the world will continue their movement and close the Pacific ocean, forming Amasia, or will reverse their motion and close the Atlantic to amalgamate into Pangea Ultima (see above) is a prime example of the first-order research that remains to be done.
If our knowledge of ancient paleogeography is a reliable indicator, then the configuration of the next supercontinent might be very different from anything we could predict from our modern geography.
The ultimate question is: As the Earth continues to cool, when will the Earths internal heat engine become insufficient to power plate tectonics? And how long would it take to the surface processes to reach a standstill in the absence of an internal engine?
These rhetorical questions serve to illustrate some important research that remains to be done. As we study human history in the belief that where we have come from is a guide to where we are going, the more thoroughly we understand our planet’s history, the better armed we are to utilize the Earth’s bountiful resources in an environmentally responsible manner, so that we do not compromise our future on this planet. To quote Winston Churchill “The farther backward you can look, the farther forward you are likely to see.”
Is the Earth in the way of an intergalactic highway?
Using the argument in the novel by Douglas Adams, “A hitchhiker’s guide to the galaxy” we can envisage situations in which accidental, catastrophic, instantaneous events alter the predictable sequence of events.
Until now we have argued about processes that we do not fully understand but we can gauge, intuit or hypothesize into reasonably predictable patterns. From our interpretation of the geologic record we know that some of the more important events in Earth history (for example the formation of the Earth-Moon system, the various massive life extinctions, not to mention one of the possible origins of life itself, and the re-setting of the evolutionary clock by mass extinctions) were caused by processes that are not related to plate tectonics and may have had an extraterrestrial cause, as the impact of massive bolides or an unexpected large Sun burst.
These unforeseeable uncertainties add spice to the unpredictable non-linearity of processes which are only partly known to us. As related in the Hitchhikers Guide, our planet is only a tiny dot in a galactic ocean of possibility.
Some thoughts on Earth Sciences and Earth scientists
Our society perceives, and to some extent believes, that Earth scientists are romantic fossil collectors or unstoppable travellers looking for strange rocks and ores. If this view was ever true, it is now clearly outdated. Modern Earth scientists are charged with developing an understanding of earth processes, how they have changed through time and to use that knowledge to find the necessary resources to sustain mankind, while at the same time promoting stewardship of our environment.
Governments all over the world provide the Earth Sciences with budgets that are grossly underfunded, especially when compared to the value of the resources to the economy and compared to other Sciences and fields of research whose immediate application is far from the revenues obtained by the development of Earth Sciences.
Nevertheless it is true that recently, the governmental concern on environmental threats, such as global warming, has provided Earth Scientists with more resources although they have reached mostly to those whose expertise pertains to topics directly related with the recent records of climate change. From a human species perspective, understanding the intimacy of the processes that shape our planet as a whole, is crucial to understand the natural cycles of our planet, and these cycles occur at geologic time scales.
As a final remark, we would like to state that the abandonment Earth Science education in many education systems and curricula all over the world, which can be exemplified by the case of Spain where geology is no longer taught as subject in secondary school, is extremely dangerous, as we are building a society that is not aware of the processes that shaped the planet in which they live and so cannot grasp environmental issues that are rooted in the gross mismatch between the pace of natural processes and the pace of human development. Eventually, shall we find ourselves in a situation where we shall be asked to respect and protect a planet that we wholly ignore?, Shall we then know what to do?
