En lo profundo de planetas rocosos como la Tierra, el comportamiento del hierro puede influir en gran medida en las propiedades del material rocoso fundido: propiedades que influyeron en cómo se formó y evolucionó la Tierra.

De hecho, la evolución de todo nuestro planeta puede estar impulsada por el estado cuántico microscópico de estos átomos de hierro. Una característica especial del hierro es su “estado de giro”, una propiedad cuántica de los electrones en cada átomo de hierro que impulsa su comportamiento magnético y su reactividad en reacciones químicas. Los cambios en el estado de giro pueden afectar si el hierro prefiere estar en forma de roca fundida o sólida, y qué tan bien la roca fundida conduce la electricidad.

Hasta ahora, ha sido difícil recrear las condiciones extremas en estos materiales rocosos fundidos, llamados silicatos fundidos, para medir el estado de circulación del hierro. Utilizando potentes láseres y rayos X ultrarrápidos, un equipo internacional de investigadores del Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC del Departamento de Energía, la Universidad de Stanford, la Universidad Grenoble Alpes, el Laboratorio para el Uso de Láseres Intensos (LULI) y la Universidad Estatal de Arizona han superado este problema. . desafío. Demostraron que a presiones y temperaturas muy altas, el hierro en los silicatos fundidos tiene un estado de espín mayoritariamente bajo, lo que significa que sus electrones permanecen más cerca del centro y están acoplados en niveles de energía, lo que hace que el hierro sea menos magnético y más estable.

Resultados, Publicado el viernes en Avance de la cienciaRespalda la idea de que ciertos tipos de roca fundida pueden ser estables en las profundidades de la Tierra y otros planetas rocosos, lo que puede ayudar a crear campos magnéticos. La investigación tiene implicaciones potenciales para comprender la evolución de la Tierra, interpretar señales sísmicas e incluso estudiar exoplanetas.

“En términos de exploración de la historia de la Tierra, estamos investigando procesos que ocurrieron hace más de 4 mil millones de años”, dijo Dan Shim, investigador del estado de Arizona. “La única manera de estudiar esto es utilizar la moderna tecnología de femtosegundos. El contraste entre estas enormes escalas de tiempo es elocuente y sorprendente: es similar a la idea de una máquina del tiempo”.

Bombardeos de asteroides y océanos fundidos

Hace entre 4.300 y 4.500 millones de años, la Tierra primitiva experimentó graves impactos y fue golpeada por grandes asteroides, como ciudades. Estos impactos produjeron tanto calor que podrían haber derretido por completo las capas exteriores del planeta, creando un océano profundo de roca fundida.

“Se plantea la hipótesis de que bajo la enorme presión de estos impactos, la roca fundida puede haberse vuelto más densa que la roca sólida”, dijo Arianna Gleason, colaboradora y científica de SLAC. “Este magma más denso debe haberse hundido hacia el núcleo, recogiendo las firmas químicas de esa época. Algunos creen que los restos de esta capa de magma pueden todavía estar allí hoy, con evidencia que data de hace 4,5 mil millones de años. Volcanes como el de aquí podrían dispararse ” En Hawaii, estos químicos antiguos.” firmas, brindándonos una visión del pasado distante de la Tierra”.

A poca profundidad, la roca fundida ocupa más espacio que el mismo material cuando está sólido. Pero a medida que se profundiza y la presión aumenta, esta diferencia disminuye. La inclusión de hierro, especialmente su estado de espín, juega un papel importante en la determinación de estas propiedades. Investigaciones anteriores han mostrado resultados mixtos sobre el estado de giro del hierro en condiciones similares: algunos estudios encontraron un cambio rápido en el estado de giro del hierro bajo altas presiones, mientras que otros encontraron un cambio más lento y gradual.

Este nuevo estudio proporciona la primera mirada directa al comportamiento del hierro en roca fundida real en condiciones extremas.

“Si bien podemos aprender mucho del estudio de rocas y fósiles, algunos aspectos de la historia temprana de la Tierra se han perdido porque hay pocos registros de esa época”, dijo Shim. “Esto es lo que hace que este estudio sea único. La formación de la Tierra fue un proceso turbulento, que implicó impactos extremos y dio como resultado una capa de roca globalmente fundida. La presión en esta capa era enorme. Estamos estudiando esto simulando las condiciones mediante laboratorio. experimentos.”

En la Materia en Condiciones Experimentales Extremas (MEC). la caja En la Fuente de Luz Coherente Linac (LCLS) de SLAC, el equipo pudo recrear las presiones extremas que se habrían encontrado en el océano fundido de la Tierra primitiva disparando muestras con potentes láseres que transforman el sólido en silicato fundido, en un nanosegundo. A continuación, los científicos utilizaron pulsos de rayos X de femtosegundos del LCLS para estudiar la estructura electrónica de elementos como el hierro en estas condiciones extremas, proporcionando información sobre cómo cambian las configuraciones electrónicas en diferentes condiciones y revelando que el magma fundido en realidad se volvió más denso que el material sólido que se encuentra debajo. Condiciones específicas.

“Al comprender la dinámica interna de la Tierra, podemos mejorar los modelos de movimiento tectónico y otros fenómenos geológicos”, dijo Gleason. “Además, dado que las capas de la Tierra están interconectadas, estos hallazgos tienen implicaciones para la ciencia del clima”.

Entendiendo nuestro planeta

En esta investigación, el equipo se centró en la fusión con bajo contenido de hierro. Pero a medida que el material cae hacia el centro de la Tierra, debería absorber más hierro, haciéndolo más denso. A continuación, el equipo planea estudiar fundiciones que contengan un mayor porcentaje de hierro. También esperan experimentar con un derretimiento que contenga algo de agua, mejorando nuestra comprensión del ciclo del agua y el clima de la Tierra.

La investigación también podría arrojar luz sobre velocidades sísmicas extrañas que se encuentran en las profundidades del manto terrestre. Estas anomalías han desconcertado a los científicos durante décadas. Algunas teorías sugieren que estas áreas podrían ser restos de magma que datan de hace 4.500 millones de años, mientras que otras creen que fueron causadas por placas tectónicas que se hundieron en el interior de la Tierra, esparciendo materiales de bajo punto de fusión. Comparando diferentes hipótesis utilizando imágenes sísmicas, el equipo pretende determinar los orígenes de estas áreas y distinguir entre materiales antiguos y modernos.

“A medida que avanza la tecnología, estamos a la vanguardia para abordar grandes desafíos que van desde la mineralogía hasta la ciencia climática, conectando diferentes áreas de investigación”, afirmó Roberto Alonso Mori, científico y colaborador de SLAC. “El gran volumen de información que podemos recopilar ha transformado nuestras capacidades. Es un punto de inflexión. Es estimulante desarrollar nuevas técnicas y aplicarlas a preguntas urgentes con un equipo tan diverso”.

más información:
Sang-Hyun Shim et al., Detección ultrarrápida de rayos X de hierro de bajo giro en silicato fundido en condiciones interiores planetarias profundas, Avance de la ciencia (2023). doi: 10.1126/sciadv.adi6153

Proporcionado por el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC