Gran anomalía dentro del manto de la Tierra puede ser el remanente de una colisión que formó la luna.

1 de noviembre de 2023

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por la Academia China de Ciencias

Un equipo internacional de investigación interdisciplinaria ha descubierto recientemente que una anomalía masiva en lo profundo del interior de la Tierra puede ser un remanente de la colisión hace aproximadamente 4.5 mil millones de años que formó la luna.

Esta investigación ofrece nuevas ideas importantes no solo sobre la estructura interna de la Tierra sino también sobre su evolución a largo plazo y la formación del sistema solar interno.

El estudio, que se basó en métodos de dinámica de fluidos computacional desarrollados por el profesor Deng Hongping del Observatorio Astronómico de Shanghai (SHAO) de la Academia China de Ciencias, se publicó como portada destacada en Nature el 2 de noviembre.

La formación de la luna ha sido un enigma persistente durante varias generaciones de científicos. La teoría predominante ha sugerido que, durante las etapas tardías del crecimiento de la Tierra hace aproximadamente 4.5 mil millones de años, ocurrió una colisión masiva, conocida como el 'impacto gigante', entre la Tierra primordial (Gaia) y un protoplaneta del tamaño de Marte conocido como Theia. Se cree que la luna se formó a partir de los escombros generados por esta colisión.

Las simulaciones numéricas han indicado que es probable que la luna haya heredado material principalmente de Theia, mientras que Gaia, debido a su masa mucho mayor, solo fue ligeramente contaminada por material de Theia.

Dado que Gaia y Theia eran formaciones relativamente independientes y compuestas por diferentes materiales, la teoría sugería que la luna, dominada por material de Theia, y la Tierra, dominada por material de Gaia, deberían tener composiciones distintas. Sin embargo, mediciones de isótopos de alta precisión posteriormente revelaron que las composiciones de la Tierra y la luna son notablemente similares, desafiando así la teoría convencional de la formación de la luna.

Si bien posteriormente se han propuesto varios modelos refinados del impacto gigante, todos han enfrentado desafíos.

Para refinar aún más la teoría de la formación lunar, el profesor Deng comenzó a investigar sobre la formación de la luna en 2017. Se centró en desarrollar un nuevo método de dinámica de fluidos computacional llamado Masa Finita Sin Malla (MFM), que se destaca por modelar con precisión la turbulencia y la mezcla de materiales.

Utilizando este enfoque novedoso y realizando numerosas simulaciones del impacto gigante, el profesor Deng descubrió que la Tierra primitiva presentaba una estratificación del manto después del impacto, con el manto superior e inferior teniendo diferentes composiciones y estados. Específicamente, el manto superior presentaba un océano de magma, creado a través de una mezcla exhaustiva de material de Gaia y Theia, mientras que el manto inferior permanecía en su mayoría sólido y retenía la composición de materia de Gaia.

'Investigaciones anteriores habían puesto un énfasis excesivo en la estructura del disco de escombros (el precursor de la luna) y habían pasado por alto el impacto de la colisión gigante en la Tierra primitiva', dijo Deng.

Después de discusiones con geofísicos del Instituto Federal de Tecnología de Suiza en Zurich, el professor Deng y sus colaboradores se dieron cuenta de que esta estratificación del manto puede haber persistido hasta el día de hoy, correspondiendo a los reflectores sísmicos globales en el medio manto (ubicados a aproximadamente 1,000 km debajo de la superficie de la Tierra).

Específicamente, es posible que todo el manto inferior de la Tierra todavía esté dominado por material gaiano anterior al impacto, que tiene una composición elemental diferente (incluido un mayor contenido de silicio) que el manto superior, según el estudio anterior del profesor Deng.

'Nuestros hallazgos desafían la noción tradicional de que el impacto gigante condujo a la homogeneización de la Tierra primitiva', dijo el profesor Deng. 'En cambio, el impacto gigante que formó la luna parece ser el origen de la heterogeneidad del manto primitivo y marca el punto de partida para la evolución geológica de la Tierra a lo largo de 4.5 mil millones de años'.

Another example of Earth's mantle heterogeneity is two anomalous regions—called Large Low Velocity Provinces (LLVPs)—that stretch for thousands of kilometers at the base of the mantle. One is located beneath the African tectonic plate and the other under the Pacific tectonic plate. When seismic waves pass through these areas, wave velocity is significantly reduced.

LLVPs have significant implications for the evolution of the mantle, the separation and aggregation of supercontinents, and the Earth's tectonic plate structures. However, their origins have remained a mystery.

Dr. Yuan Qian from the California Institute of Technology, along with collaborators, proposed that LLVPs could have evolved from a small amount of Theian material that entered Gaia's lower mantle. They subsequently invited Prof. Deng to explore the distribution and state of Theian material in the deep Earth after the giant impact.

Through in-depth analysis of previous giant-impact simulations and by conducting higher-precision new simulations, the research team found that a significant amount of Theian mantle material, approximately 2% of Earth's mass, entered the lower mantle of Gaia.

Prof. Deng then invited computational astrophysicist Dr. Jacob Kegerreis to confirm this conclusion using traditional Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) methods.

The research team also calculated that this Theian mantle material, similar to lunar rocks, is enriched with iron, making it denser than the surrounding Gaian material. As a result, it rapidly sank to the bottom of the mantle and, over the course of long-term mantle convection, formed two prominent LLVP regions. These LLVPs have remained stable throughout 4.5 billion years of geological evolution.

Heterogeneity in the deep mantle, whether in the mid-mantle reflectors or the LLVPs at the base, suggests that the Earth's interior is far from a uniform and 'boring' system. In fact, small amounts of deep-seated heterogeneity can be brought to the surface by mantle plumes—cylindrical upwelling thermal currents caused by mantle convection—such as those that likely formed Hawaii and Iceland.

For example, geochemists studying isotope ratios of rare gases in samples of Icelandic basalt have discovered that these samples contain components different from typical surface materials. These components are remnants of heterogeneity in the deep mantle dating back more than 4.5 billion years and serve as keys to understanding Earth's initial state and even the formation of nearby planets.

According to Dr. Yuan, 'Through precise analysis of a wider range of rock samples, combined with more refined giant impact models and Earth evolution models, we can infer the material composition and orbital dynamics of the primordial Earth, Gaia, and Theia. This allows us to constrain the entire history of the formation of the inner solar system.'

Prof. Deng sees an even broader role for the current study. 'This research even provides inspiration for understanding the formation and habitability of exoplanets beyond our solar system.'

Journal information: Nature

Provided by Chinese Academy of Sciences