Las colisiones a cámara lenta de las placas tectónicas bajo el océano arrastran aproximadamente tres veces más agua hacia el interior de la Tierra de lo que se estimaba previamente, según un estudio sísmico único en su tipo realizado en la Fosa de las Marianas.
Las observaciones en la fosa oceánica más profunda del mundo tienen implicaciones importantes para el ciclo global del agua, como relatan investigadores de la Universidad de Washington en St. Louis.
“Se sabía que las zonas de subducción podían infiltrar agua, pero no cuánta”, cuenta Chen Cai, que recientemente completó sus estudios de doctorado en la Universidad de Washington. Cai es el primer autor del estudio publicado en la edición del 15 de noviembre de la revista Nature.
“Este trabajo muestra que las zonas de subducción desplazan mucha más agua a las profundidades de la Tierra de lo que se pensaba anteriormente”, según Candace Major, directora de programas de la División de Ciencias Oceánicas de la Fundación Nacional de Ciencias (National Science Foundation), que financió el estudio. “Los resultados resaltan el importante papel de las zonas de subducción en el ciclo del agua de la Tierra”.
“Las estimaciones anteriores varían ampliamente en la cantidad de agua que se subduce a más de 100 kilómetros”, relata Douglas A. Wiens, Profesor en Ciencias Planetarias y de la Tierra y asesor de investigación de Cai para el estudio. “La principal fuente de incertidumbre en estos cálculos era el contenido inicial de agua del manto superior que subducía”.
Para realizar este estudio, los investigadores escucharon más de un año de sonidos de la Tierra, desde ruido ambiental hasta verdaderos terremotos, utilizando una red de 19 sismógrafos pasivos desplegados en el fondo del océano a lo largo de la Fosa de las Marianas, junto con siete sismógrafos en las islas. La fosa es el lugar en el que la placa del Océano Pacífico occidental se desliza por debajo de la placa de las Marianas y se hunde profundamente en el manto de la Tierra a medida que las placas convergen lentamente.
Las nuevas observaciones sísmicas ofrecen una imagen más matizada de la placa del Pacífico doblándose en la fosa, mostrando su estructura tridimensional y registrando las velocidades relativas de tipos de roca que tienen diferente capacidad para retener agua.
El arrastre del agua
Las rocas pueden retener el agua de diferentes maneras. El agua de los océanos se cuela en la corteza y el manto superior a lo largo de las líneas de falla que unen el área donde las placas chocan y se doblan. Ahí queda atrapada. Bajo determinadas condiciones de temperatura y presión, se producen reacciones químicas entre las rocas y el agua. El resultado son minerales hidratados, no líquidos y fijados en la placa geológica. A la vez la placa continúa arrastrándose cada vez a más profundidad en el manto de la Tierra, llevándose al agua con ella.
Estudios previos en zonas de subducción como la Fosa de Mariana habían observado que la placa que subduce podría contener agua, pero no pudieron determinar cuánta contenía y hasta que profundidad llegaba.
“Los datos anteriores estaban basados en estudios de fuentes activas, que solo pueden mostrar los 5 ó 6 primeros kilómetros de la placa que subduce”, dice Cai. Se refiere a un tipo de estudio sísmico que utiliza ondas de sonido creadas con el disparo de una pistola de aire a bordo de un barco de investigación para crear una imagen de la estructura de la roca subsuperficial.
“No podían ser muy precisos en el grosor, o la cantidad de agua que contiene”, continúa Cai. “Nuestro estudio trata de restringir eso. Si el agua puede penetrar más en la placa, puede permanecer allí y descender a mayores profundidades”.
Una parte importante del ciclo del agua
Las imágenes sísmicas que obtuvieron Cai y Wiens muestran que el área de roca hidratada en la Fosa de las Marianas se extiende casi 32 kilómetros por debajo del lecho marino, a mucha mayor profundidad de lo que se pensaba.
La cantidad de agua que puede contener este bloque de roca hidratada es considerable. Solo en la región de la Fosa de las Marianas, subduce cuatro veces más agua de la calculada previamente. Esta característica se puede extrapolar para predecir las condiciones en otras fosas oceánicas del mundo.
“Si otras placas de subducción frías y antiguas contienen similares capas gruesas de manto hidratado, las estimaciones del flujo global de agua hacia el manto a profundidades mayores a 100 kilómetros deberían incrementarse en un factor de aproximadamente tres”, dice Wiens.
Y en lo que se refiere al agua en la Tierra, todo lo que baja debe subir. Los niveles del mar se han mantenido relativamente estables a lo largo del tiempo geológico, variando en menos de 300 metros. Esto significa que toda el agua que se infiltra en las zonas de subducción vuelve a subir, no se acumula en el interior.
Los científicos creen que la mayor parte del agua que cae en la fosa retorna a la atmósfera como vapor de agua cuando los volcanes entran en erupción a cientos de kilómetros de distancia. Aunque con las estimaciones revisadas del nuevo estudio, la cantidad de agua que subduce parece ser bastante mayor que la cantidad de agua que sale.
“Las estimaciones del agua que regresa a través del arco volcánico son probablemente muy poco seguras”, según Wiens, que espera que este estudio aliente a otros investigadores a reconsiderar sus modelos de cómo el agua retorna del interior de la Tierra. “Este estudio probablemente causará una reevaluación”.
Más allá de la Fosa de las Marianas, Wiens junto con un equipo de científicos, ha desplegado una red sísmica similar en alta mar en Alaska para medir cómo se infiltra el agua al interior de la Tierra allí.
“¿La cantidad de agua varía de una zona de subducción a otra según el tipo de fallas que tiene cuando la placa se dobla?”, se pregunta Wiens. “Eso es lo que se ha sugerido en Alaska y en América Central. Pero nadie ha mirado la estructura profunda aún, como hicimos en la Fosa de las Marianas”.
El DOI del artículo de Nature es https://doi.org/10.1038/s41586-018-0655-4