Científicos descubren material del Eón Hadeico preservado en volcán submarino de las Comoras

Un equipo internacional de científicos ha identificado material del Eón Hadeico, el período más antiguo de la historia de la Tierra, preservado en lavas de un volcán submarino activo en el archipiélago de las Comoras, según un estudio publicado en la revista Nature. El descubrimiento proporciona evidencia directa de que heterogeneidades químicas formadas durante los primeros 100 millones de años de existencia del planeta han sobrevivido miles de millones de años de convección vigorosa del manto terrestre.

Los investigadores midieron anomalías isotópicas significativamente positivas de neodimio-142 en 13 muestras de basanitas del volcán Fani Maoré, según el estudio. Las lavas presentaron un valor medio de µ142Nd de +3,2 ±0,9/±3,3 (2 s.e./2 s.d., n = 13), significativamente diferente de la composición de referencia del manto moderno, con un valor P de 9 × 10−6, muy por debajo del umbral de 0,05 que establece significancia estadística, según los autores.

Estas anomalías requieren la preservación en el manto de material empobrecido en elementos de tierras raras ligeras y formado dentro de los primeros 100 millones de años de la historia terrestre, según el estudio. Los investigadores sugieren que este material está compuesto principalmente de bridgmanita, un mineral de silicato de magnesio y hierro que cristalizó de un océano de magma en la Tierra primitiva.

**Precisión sin precedentes en mediciones isotópicas**

El equipo utilizó un nuevo método de cinco líneas multi-dinámico para isótopos de neodimio mediante espectrometría de masas de ionización térmica, según el estudio. Esta técnica permitió alcanzar una reproducibilidad a largo plazo de 3,1 partes por millón (ppm) (2 s.d.) en la relación 142Nd/144Nd del material de referencia durante un período de dos años, según los autores.

Esta precisión representa una mejora significativa respecto a los errores típicos de 5 ppm reportados en la mayoría de estudios publicados sobre basaltos de islas oceánicas y dorsales oceánicas, según el estudio. La reproducibilidad mejorada fue esencial para detectar las pequeñas variaciones isotópicas que indican la presencia de material del Hadeico en el manto moderno, según los investigadores.

El equipo también midió la composición isotópica de neodimio en 8 basanitas y fonolitas del flanco de Mayotte, la isla principal del archipiélago, según el estudio. Estas muestras presentaron un valor medio de µ142Nd de +1,3 ±1,3/±3,6 (2 s.e./2 s.d., n = 8), menos pronunciado que el de Fani Maoré, según los datos. Tanto Mayotte como Fani Maoré mostraron valores indistinguibles de ε143Nd de 3,93 ±0,11/±0,30 y 3,81 ±0,03/±0,11 (2 s.e./2 s.d.), respectivamente, según el estudio.

**Origen profundo versus origen superficial**

Los investigadores evaluaron dos hipótesis para explicar las anomalías positivas de 142Nd: un origen superficial mediante extracción de corteza continental en el Hadeico, y un origen profundo mediante solidificación de un océano de magma, según el estudio.

El modelo de origen superficial requeriría que la fuente del volcán contuviera aproximadamente 90% de material empobrecido formado hace unos 4.300 millones de años, según los cálculos de los autores. Esta proporción tan sustancial plantea serias dudas sobre su preservación dentro del manto convectivo durante aproximadamente 4.300 millones de años, según el estudio.

El modelo de origen profundo se basa en la solidificación de un océano de magma en el manto profundo tras el impacto gigante que formó la Luna, según los investigadores. Este evento habría fundido extensamente el manto hasta el límite entre el núcleo y el manto, según modelos petrológicos, mineralógicos y dinámicos recientes citados en el estudio.

La solidificación habría seguido una secuencia de tres etapas, según el estudio: primero, la bridgmanita cristaliza sola hasta un 30-40% de solidificación; segundo, bridgmanita y ferropericlasa cristalizan juntas hasta aproximadamente 90% de solidificación; y tercero, bridgmanita, ferropericlasa y perovskita cálcica cristalizan durante los últimos porcentajes de solidificación, según los modelos.

**Experimentos de alta presión y partición de elementos**

Para determinar cómo se distribuyen los elementos traza durante la cristalización del océano de magma, los investigadores midieron directamente los coeficientes de partición de samario y neodimio entre bridgmanita y fundido mediante experimentos con celda de yunque de diamante calentada por láser a presiones de 53 a 97 gigapascales, según el estudio.

Los experimentos arrojaron valores de Dliq–brid(Nd) = 0,24 ± 0,12 y Dliq–brid(Sm) = 0,45 ± 0,10 bajo condiciones del manto profundo, según los resultados. Estos coeficientes indican que la bridgmanita incorpora preferentemente samario sobre neodimio, lo que resulta en una relación Sm/Nd elevada en el mineral cristalizado, según los autores.

Los investigadores modelaron la composición de elementos traza de los sólidos cristalizantes a lo largo de la secuencia de solidificación usando un líquido inicial con contenido de elementos de tierras raras de manto primitivo condrítico o no condrítico, según el estudio. Los modelos muestran que hasta el 90% de cristalización del océano de magma, todos los sólidos tienen un contenido mínimo de neodimio de aproximadamente la mitad del del manto empobrecido de dorsales oceánicas moderno (0,3-1,6 ppm), pero su relación 147Sm/144Nd es mucho mayor (entre 0,38 y 0,25), según los resultados.

**Composición isotópica del material del Hadeico**

Los investigadores modelaron la composición isotópica actual de neodimio de sólidos que cristalizaron en profundidad de un océano de magma terrestre primitivo, asumiendo una edad de cristalización de 4.460 millones de años con una barra de error de 50 millones de años, según el estudio. Esta edad corresponde a la del material lunar más antiguo y representa el último evento que fundió la mayor parte del manto terrestre, según los autores.

Los valores modelados de µ142Nd actuales varían de +112 en 10% de cristalización a +60 en 75% de cristalización, con valores correspondientes de ε143Nd que van de +100 a +55, según los cálculos. Estas relaciones Sm/Nd son mucho más altas que las del manto primitivo o de un manto empobrecido por extracción de corteza, según el estudio.

La contribución de este material en la fuente de las lavas de Fani Maoré podría explicar las anomalías positivas de 142Nd medidas, según los investigadores. El valor medio de µ142Nd de +3,2 de Fani Maoré puede reproducirse incluyendo 8-10(±3)% de bridgmanita del Hadeico en la fuente, según los modelos.

Sin embargo, reproducir el valor medio de ε143Nd de +3,8 requeriría solo 2-3(±1)% de material del Hadeico, según los cálculos. Esta discrepancia demuestra que una mezcla simple de material del Hadeico y manto ordinario no puede explicar todas las observaciones y que se necesita un tercer componente en la fuente de los volcánicos de Fani Maoré, según los autores.

**Componente sedimentario reciclado**

Los investigadores proponen que material sedimentario reciclado está involucrado en la fuente de las lavas de Fani Maoré, según el estudio. Modelaron el impacto de un sedimento subducido típico, el sedimento subductado global (GLOSS-II), con una edad estimada de 2.000 millones de años, según el análisis.

Este material es suficientemente joven para tener un µ142Nd de 0, pero exhibe un ε143Nd altamente negativo de aproximadamente −21, según los modelos. Añadir aproximadamente 0,4% de material sedimentario apenas altera la proporción de bridgmanita del Hadeico (9-11% en lugar de 8-10%) y reconcilia las restricciones proporcionadas por µ142Nd y ε143Nd, según los cálculos.

Esta composición también es consistente con las composiciones isotópicas de estroncio y plomo de las lavas, según el estudio. La proporción exacta de material del Hadeico necesaria para reproducir el µ142Nd de Fani Maoré depende de la edad de cristalización del océano de magma, pero permanece dentro de un rango pequeño siempre que la cristalización no ocurriera después de hace 4.350 millones de años, cuando la desintegración de 146Sm produjo poco 142Nd, según los autores.

**Implicaciones para la dinámica del manto**

El hallazgo de µ142Nd significativamente positivo en los volcánicos de Fani Maoré sugiere la existencia y preservación de remanentes de material del Hadeico en el manto actual, según los investigadores. El modelo de origen profundo requiere solo 9-11% de material del Hadeico en la fuente, en comparación con 28-90% requerido por el modelo de origen superficial, según los cálculos.

Simulaciones recientes de dinámica de fluidos geofísicos de cristalización de océanos de magma muestran la producción generalizada de heterogeneidades geoquímicas (Sm/Nd y Lu/Hf) durante la solidificación y su dispersión vertical a lo largo del manto, según estudios citados. Este material exhibe un patrón de elementos de tierras raras fuertemente empobrecido y se formó mediante la cristalización de la mayor parte del manto profundo durante el último evento de océano de magma, según los modelos.

Considerando la extensa porción del manto profundo que una vez estuvo compuesta de bridgmanita del Hadeico, es plausible que algo de ella haya sobrevivido en el manto para ser muestreada por el volcanismo moderno, según los autores. Varias ocurrencias de µ142Nd positivo fueron reportadas previamente para la isla Reunión, Islandia o Pitcairn, pero su interpretación fue limitada por la precisión analítica, según el estudio.

La medición de un conjunto grande de basaltos de islas oceánicas con precisión mejorada podría establecer que material similar del Hadeico contribuye a las fuentes de basaltos de islas oceánicas más comúnmente de lo que se pensaba anteriormente, según los investigadores. Independientemente del origen profundo o superficial de la fuente anómala en Fani Maoré, la preservación de heterogeneidades tan antiguas, formadas dentro de los primeros 100 millones de años de la historia de la Tierra, resalta la mezcla incompleta del manto a lo largo del tiempo geológico, según el estudio.

**Contexto geológico del archipiélago de las Comoras**

El archipiélago de las Comoras es la manifestación superficial de una pluma profunda del manto, según el estudio. El volcán submarino Fani Maoré se encuentra al este de Mayotte, la isla más oriental del archipiélago, y ha estado en erupción desde mayo de 2018, según los autores.

La actividad volcánica en Fani Maoré ha sido monitoreada mediante estudios sísmicos y geoquímicos desde su inicio, según el estudio. Las muestras analizadas en esta investigación fueron recolectadas durante expediciones oceanográficas al volcán, según los autores.

El descubrimiento plantea nuevas preguntas sobre cómo material formado hace más de 4.300 millones de años pudo sobrevivir miles de millones de años de tectónica de placas y convección vigorosa del manto, según los investigadores. La respuesta a estas preguntas podría transformar la comprensión actual de la dinámica interna de la Tierra y la evolución de su manto a lo largo de la historia geológica, según el estudio.