La Tierra Negra – Peridotita a Basalto
Peridotite mantle xenolith in basalt
Al mirar hacia atrás en la historia más antigua de la Tierra, se puede ver cómo tanto el azar astrofísico como la necesidad geológica jugaron un papel crucial. Incluso una pequeña diferencia en la órbita de la Tierra o Theia podría haber cambiado el carácter del sistema Tierra-Luna, pero una vez que ocurrió el gran golpe, se ordenaron las historias de la Tierra y la Luna. La peridotita cristalizó inevitablemente en los océanos de magma que se enfrían en la Tierra. E, igualmente inevitable, la densa peridotita se hundió y fue parcialmente fundida para formar basalto, la roca más abundante en la Tierra.
Las primeras rocas terrestres: Peridotita
Las historias de las primeras rocas de la Tierra provienen de más de un siglo de investigación por parte de petrólogos experimentales, quienes idean técnicas novedosas y construyen laboratorios para calentar y presurizar las rocas en un esfuerzo por reproducir las condiciones del interior profundo de la Tierra. Los petrólogos experimentales se enfrentan a dos desafíos técnicos en su búsqueda por descubrir los orígenes de las rocas.
Primero, necesitan producir y controlar las temperaturas increíblemente altas de la formación rocosa, miles de grados en algunos casos. Para alcanzar temperaturas tan elevadas, los científicos tienen que fabricar un costoso alambre de platino en bobinas meticulosamente espaciadas y luego controlar las corrientes eléctricas extremadamente altas que se requieren para lograr y estabilizar tales temperaturas extremas.
En segundo lugar, lo que hace que este esfuerzo sea mucho más desafiante es que el calentamiento debe realizarse mientras las muestras se someten a presiones de aplastamiento que son decenas o cientos de miles de veces la de la atmósfera. Los investigadores recurren a enormes cilindros hidráulicos para alcanzar y soportar presiones tan inmensas.
Los petrólogos experimentales encuentran que una masa fundida rica en los seis grandes elementos, con proporciones de elementos similares a las que encontramos en rocas como el basalto de roca ígnea negra, típicamente comenzará a solidificarse formando cristales de silicato de magnesio olivino forsterita a temperaturas por debajo de 1900 grados Celsius.
En rocas del tipo que se encuentran en la Tierra, en la Luna y en muchos meteoritos de acondrita, encontramos que hermosos cristales verdes diminutos comienzan a crecer en el magma como semillas microscópicas. Estos pequeños cristales crecen cada vez más a medida que la temperatura se enfría, primero hasta el tamaño de un BB, luego un guisante y luego una uva.
Entonces, aparece un fenómeno realmente interesante que cambia el juego. El olivino es típicamente un poco más denso que el líquido en el que cristaliza, por lo que esos primeros cristales de forsterita comenzaron a hundirse y se asentaron cada vez más rápido a medida que los cristales crecían cada vez más. Finalmente, enormes y profundas masas de cristales de olivino casi puros se acumularon en el fondo de una cámara de magma para formar una impresionante roca verde llamada dunita.
Hoy en la Tierra, esta roca es relativamente poco común. Aparece en grandes cuerpos en la superficie solo cuando las rocas se enfriaron y asentaron bastante cerca de la superficie o cuando las actividades de levantamiento y erosión de construcción de montañas expusieron lo que una vez fue un horizonte profundamente enterrado de este distintivo y profundo acumulado de olivino.
Durante la eliminación continua de los cristales de olivino, los cristales de Mg2, Si y O4 en la masa fundida tienen una composición diferente a la masa fundida, por lo que su eliminación agota la masa fundida en magnesio y silicio y, por lo tanto, aumenta las proporciones de calcio, aluminio y planchar. Cuando el océano de magma comenzó a enfriarse en la Luna hace más de 4 mil millones de años, comenzó a formarse anortita.
Este segundo mineral, el silicato de calcio y aluminio miembro de la familia feldespato común de minerales estructurales, formó cristales en bloques de color pálido. Sin embargo, a diferencia del olivino, la anortita era significativamente menos densa que su líquido huésped, por lo que los cristales de anortita tendían a flotar.
Grandes volúmenes de anortita aparecieron en la superficie del océano de magma de la Luna para formar una corteza gruesa hecha casi en su totalidad de cristales flotantes de feldespato, una roca conocida como anortosita. A pesar de los cientos de millones de años de vulcanismo de basalto subsiguiente, que forman los «mares» oscuros y manchados en la superficie de la Luna, las prominentes acumulaciones de anortosita gris blanquecina todavía dominan el 65 por ciento de la cara plateada reflectante de la Luna.
La Tierra tiene una composición más húmeda que la Luna, y tiene océanos de magma más profundos y, en consecuencia, mayores temperaturas y presiones internas. Una pequeña cantidad de anortita probablemente cristalizó temprano en la historia de la Tierra en algunos ambientes cercanos a la superficie y de baja presión, pero la anortosita era un tipo de roca bastante menor en la Tierra.
En cambio, el segundo mineral de silicato que cristalizó en la Tierra fue la enstatita de piroxeno rica en magnesio, el más común de los minerales de silicato de cadena. La enstatita mezclada con olivino en una espesa capa de cristal, formó cámaras de magma a decenas de kilómetros por debajo de la superficie y se enfrió gradualmente hasta convertirse en el tipo de roca principal más antigua de la Tierra: una roca dura de color negro verdoso llamada peridotita.
Varias variedades de peridotita comenzaron a cristalizar a lo largo de los 80 kilómetros exteriores de la Tierra, diferentes variedades a diferentes profundidades. La producción de peridotita probablemente comenzó hace más de 4.500 millones de años y continuó como un proceso ígneo dominante durante muchos cientos de millones de años.
A pesar de esta prominencia al principio de la historia de la Tierra, la peridotita es relativamente rara en la superficie en la actualidad. Es probable que las balsas de peridotita se endurecieran y enfriaran para formar la primera superficie negra rígida de la Tierra, pero esa corteza era inestable y, por lo tanto, transitoria. Esa inestabilidad surge porque la peridotita en enfriamiento es significativamente más densa que el océano de magma caliente en el que intentó flotar.
En consecuencia, la delgada capa superficial de peridotita se agrietó y se combó, y grandes trozos se hundieron nuevamente en el manto. A medida que las masas de peridotita se hundieron, desplazaron más magma que se enfrió para formar más peridotita de olivino-piroxeno.
De esta forma, una especie de cinta transportadora de peridotita operó en los 80 kilómetros exteriores de la Tierra, quizás durante un lapso de cientos de millones de años. Mediante este proceso, la corteza y el manto superior se solidificaron lentamente. A lo largo de este proceso, la proporción de peridotita sólida densa a magma de silicato líquido aumentó, hasta que el manto superior fue principalmente roca sólida de olivino-piroxeno.
Un escenario similar de enfriamiento y cristalización debe haberse desarrollado más profundamente en el manto, aunque más lentamente. Los petrólogos experimentales aún no están seguros de todos los detalles, pero experimentos más difíciles a presiones y temperaturas más altas revelan que la separación de los cristales de los derretidos tanto por hundimiento como por flotación probablemente fue fundamental en dominios más profundos, al igual que lo fue en entornos superficiales más cercanos.
Mucho de lo que sabemos sobre la composición y estructura del manto superior proviene de estudios sismológicos detallados. Las mediciones exactas de las velocidades de las ondas sísmicas son consistentes con un manto superior dominado por peridotitas que se extiende hasta aproximadamente 400 kilómetros. Esa es la profundidad a la que la presión transforma el olivino en la estructura de wadsleyita más densa, que es el mineral dominante en la zona de transición.
Esta transición de olivino a wadsleyita y, por tanto, de peridotita a rocas más densas, es relativamente aguda. La profundidad exacta de la zona de transición varía entre 15 y 20 kilómetros de un lugar a otro; Por lo general, es más profundo debajo de los continentes que los océanos, por ejemplo.
Primeras rocas terrestres: Basalto
La gran historia de la evolución mineral de la Tierra está enmarcada por una sucesión predeterminada de tipos de rocas ígneas, cada tipo seguido inexorablemente del anterior. La peridotita fue el primer sólido formador de corteza terrestre. Esa fue una fase juvenil crítica pero bastante breve que surgió directamente de la cristalización de olivino y piroxeno del océano de magma primordial bien mezclado.
Esa superficie de peridotita, una vez enfriada y endurecida, era demasiado densa para permanecer en la superficie; rápidamente se hundió de nuevo en las profundidades de la Tierra. Para que una corteza sobreviviera miles de millones de años, tenía que ser resistente, pero también tenía que ser mucho menos densa que la peridotita. La roca ígnea conocida como basalto encajaba perfectamente.
El basalto domina la corteza de todos los planetas terrestres y los oscuros «mares» de la Luna, son llanuras planas y heladas que alguna vez fueron lagos basálticos negros. La Tierra no es diferente. Aproximadamente el 70 por ciento de la superficie, principalmente toda la corteza subyacente a todo el océano, es una capa de basalto de varios kilómetros de espesor.
El basalto se presenta en varias variedades importantes, pero todos los tipos de basalto están dominados por dos minerales de silicato. El primer mineral clave es un feldespato llamado plagioclasa; la anortita es el miembro terminal de calcio de la serie de la plagioclasa, pero el feldespato plagioclasa en el basalto a menudo también contiene una cantidad significativa del miembro terminal de sodio. Debido a su importancia en el basalto y otros tipos de rocas comunes, el feldespato es, con mucho, el mineral que contiene aluminio más importante en los planetas y lunas terrestres, y es el mineral de la corteza terrestre más común.
El segundo mineral de basalto esencial es el piroxeno, el mismo grupo de silicato de cadena común que se encuentra en la peridotita. El piroxeno en la peridotita era enstatita, cercano a la composición de miembro terminal simple MgSiO3. Sin embargo, la estructura de piroxeno es extremadamente adaptable y también puede acomodar muchos otros elementos.
De hecho, el piroxeno es uno de los pocos minerales comunes que comúnmente incorpora los seis grandes elementos. En el basalto, el piroxeno (o piroxenos, porque a veces hay dos tipos diferentes) muestra gran parte del complejo carácter químico del magma a partir del cual se forma.
La peridotita comienza a derretirse a aproximadamente 1100 grados Celsius, aunque la temperatura exacta es bastante sensible al contenido volátil de agua y dióxido de carbono. La composición química de las primeras gotas de fusión difiere significativamente de la de la peridotita a granel. Una diferencia clave es que el líquido de la primera fusión de la peridotita es mucho menos denso que la peridotita misma.
En consecuencia, incluso una pequeña cantidad de derretimiento parcial, tan solo el cinco por ciento, puede producir un derretimiento que se concentra a lo largo de los límites de los granos minerales, se acumula en fisuras y bolsas y se eleva con bastante facilidad hacia la superficie. Ese magma, nada más que peridotita parcialmente derretida, se convertirá en basalto. La producción de basalto mediante la fusión parcial de la peridotita se ha producido de forma continua durante la mayor parte de la historia de la Tierra, generando cientos de millones de kilómetros cúbicos de basalto en el proceso.
Referencias
Roberth M. Hazen
Principles of Igneous and Metamorphic Petrology
Anthony Philpotts, Jay Ague
The Evolution of the Igneous Rocks
Norman L. Bowen
Early Earth Systems.
Hugh R. Rollinson
Generation of Basaltic Magma.
H.S. Yoderhttps://www.nap.edu/catalog/19924/generation-of-basaltic-magma