Dating ductile deformation of the Earth’s crust: the critical role of fluids

La corteza terrestre no es una capa estática; es una capa dinámica que se desplaza, se pliega y se estira constantemente bajo una presión inmensa. Cuando las rocas en las profundidades del subsuelo son comprimidas y calentadas, no siempre se rompen como un vidrio quebradizo. En su lugar, pueden fluir lentamente a lo largo de millones de años, un proceso conocido como deformación dúctil. Este movimiento lento y plástico es crucial para comprender cómo se forman las cadenas montañosas y cómo el planeta libera el estrés. Para construir modelos precisos de estos eventos, los geólogos necesitan saber exactamente cuándo se movían las rocas. Sin embargo, determinar la edad de este flujo lento ha sido durante mucho tiempo un enigma. Los métodos tradicionales suelen asumir que, a medida que las rocas se deforman, sus relojes químicos internos se reinician automáticamente, proporcionando una marca temporal clara para el evento. Pero esta suposición se basa en la idea de que las rocas están perfectamente mezcladas y son químicamente uniformes, una idea que es difícil de verificar sin mirar extremadamente de cerca el mundo microscópico dentro de la roca.

Un equipo de investigadores de universidades de Suiza y Alemania ha desafiado ahora esta larga tradición de supuestos examinando una sección específica de la corteza terrestre en los Alpes suizos. Se centraron en una zona donde el granito antiguo había sido comprimido en una roca de grano fino y fluida llamada milonita. Al combinar mapas químicos de alta resolución con técnicas de datación precisas, descubrieron que el simple acto de comprimir la roca no es suficiente para reiniciar su reloj interno. En cambio, encontraron que la presencia de fluidos ricos en agua es el ingredoiente crítico que permite que los sistemas químicos de la roca se reinicien y registren el tiempo de la deformación. Este hallazgo cambia la forma en que los científicos interpretan la historia de la formación de las montañas, sugiriendo que, sin fluido, la roca retiene viejos recuerdos de su pasado, incluso mientras está siendo aplastada y remodelada.

Los investigadores estudiaron una sección de la napa Gotthard, un enorme bloque de roca en los Alpes suizos que fue empujado hacia arriba durante la colisión de las placas tectónicas Europea y de la de la Adria. Recolectaron muestras de granito que habían sido deformadas en diversos grados, desde rocas que solo estaban ligeramente estiradas hasta rocas que habían sido trituradas hasta convertirse en una milonita fina y ultra suave. Utilizando microscopios avanzados y analizadores químicos, crearon mapas detallados de los minerales dentro de estas rocas, específicamente observando la mica blanca, la biotita y el feldespato. Estos minerales actúan como relojes naturales porque contienen elementos radiactivos que se descomponen a un ritmo conocido, lo que permite a los científicos calcular hace cuánto tiempo se formaron los minerales o cuándo fueron químicamente reiniciados por última vez. El equipo utilizó dos métodos de datación diferentes, uno basado en el gas argón atrapado en los minerales y otro basado en la relación de isótopos de estroncio, para medir la edad de diferentes partes de la misma muestra de roca.

Lo que encontraron fue sorprendente. En las rocas que solo estaban moderadamente deformadas, los relojes químicos mostraban una amplia gama de edades, algunas muy antiguas y otras más jóvenes. A medida que se acercaban a las partes más intensamente deformadas de la zona de cizalla, donde la roca había sido triturada hasta convertirse en una pasta fina, esperaban encontrar una edad única y uniforme que representara el tiempo del aplastamiento. En su lugar, encontraron que las rocas más deformadas todavía contenían cantidades significativas de material antiguo no reiniciado. La abundancia de estos "relictos" isotópicos antiguos aumentó, de hecho, con la intensidad de la deformación. Esto contradijo directamente la hipótesis de que la deformación y las reacciones químicas ocurren en perfecto sincronismo. Si la roca estuviera siendo simplemente mezclada por el estrés físico de la formación de la montaña, las firmas químicas antiguas deberían haber sido borradas. El hecho de que permanecieran sugiere que la deformación física por sí sola no puede reiniciar el reloj interno de la roca.

La clave para desbloquear el verdadero tiempo de la deformación residía en los fluidos. Los investigadores identificaron tres generaciones distintas de minerales. Los minerales más antiguos, que se formaron antes de que comenzara la formación de la montaña, se preservaron en los núcleos de algunos cristales. Una segunda generación se formó durante el pico de la formación de la montaña, pero estos minerales solo reiniciaron completamente sus relojes químicos en las áreas donde estaban presentes los fluidos. La tercera generación apareció más tarde, durante una fase de enfriamiento, y estuvo claramente vinculada a la llegada de nuevos fluidos que causaron que los minerales cambiaran su composición. Al separar cuidadosamente estas diferentes generaciones de minerales basándose en sus huellas químicas, el equipo pudo precisar momentos específicos en el tiempo. Determinaron que la fase principal de la formación de la montaña y la deformación dúctil asociada ocurrió aproximadamente entre 18,8 y 17,1 millones de años atrás. Una fase posterior de enfriamiento y movimiento de fluidos ocurrió alrededor de hace 13,3 millones de años.

El estudio también reveló que los fluidos fueron los principales impulsores de la (re)equilibración química e isotópica, más que la compresión física de la roca o la temperatura por sí sola. Aunque las rocas no estaban en un sistema perfectamente cerrado, los investigadores encontraron que la milonitización ocurrió en un sistema semiabierto con acceso limitado a fluidos derivados externamente. En las zonas más deformadas, las firmas químicas indicaron que los fluidos escaseaban, razón por la cual las señales isotópicas antiguas persistieron a pesar de la intensa deformación. Fue solo donde los fluidos facilitaron las reacciones cuando los relojes isotópicos se reiniciaron para registrar la edad de la deformación. Los investigadores concluyeron que el movimiento de los fluidos, más que la compresión física de la roca o la temperatura por sí sola, fue el principal motor que permitió a los minerales reequilibrarse y registrar la edad de la deformación. Esto significa que para datar con precisión cuándo se estaba construyendo una cadena montañosa, los geólogos deben primero comprender el papel de los fluidos y utilizar el mapeo químico para distinguir entre los minerales que se formaron durante el evento y aquellos que son solo restos antiguos.

Este trabajo tiene implicaciones significativas para cómo calculamos la velocidad a la que se deforma la corteza terrestre. Al identificar los minerales específicos que fueron reiniciados por los fluidos durante la deformación, los investigadores calcularon una tasa de deformación de aproximadamente $8,68 \times 10^{-14}$ por segundo. Esta es una medida de qué tan rápido se estaba estirando la roca. Su estimación es más precisa que cálculos anteriores porque evita mezclar minerales viejos y nuevos, un error común en estudios previos. Esta tasa precisa ayuda a los científicos a vincular el movimiento lento y profundo de la corteza terrestre con los terremotos más rápidos y frágiles que ocurren cerca de la superficie. Muestra cómo la acumulación lenta de estrés en la parte media de la corteza puede estar directamente conectada con la liberación repentina de energía en la corteza superior.

Los hallazgos también proporcionan una imagen más clara de la historia geológica de los Alpes. El tiempo de la deformación se alinea con el movimiento hacia el oeste del cinturón montañoso, lo que sugiere un vínculo directo entre el estiramiento dúctil profundo de la corteza y el plegamiento más superficial que creó las montañas del Jura. El estudio muestra que la roca fue exhumada, o traída a la superficie, desde una profundidad de unos 33 kilómetros a unos 16 kilómetros durante un período de cuatro millones de años, enfriándose de temperaturas de aproximadamente 537 grados Celsius a 340 grados Celsius. Este enfriamiento y ascenso ocurrió a una tasa de unos 4,3 kilómetros por millón de años.

En última instancia, esta investigación demuestra que la historia de la formación de las montañas está escrita en los detalles químicos de las rocas, pero solo si sabemos leerlos. La presencia de fluidos es la clave esencial que permite que los relojes internos de las rocas se reinicien y registren el tiempo de la deformación. Sin fluidos, la roca retiene su historia antigua, incluso mientras está siendo remodelada. Este conocimiento obliga a un cambio en la forma en que los geólogos abordan la datación de la corteza terrestre. Ya no basta con simplemente triturar una roca y fecharla; los científicos ahora deben mapear la composición química de los minerales para encontrar las partes específicas que fueron reiniciadas por los fluidos. Este enfoque asegura que las fechas que obtienen reflejen verdaderamente el momento en que se estaban construyendo las montañas, en lugar de ser una mezcla de eventos viejos y nuevos. El estudio confirma que los fluidos, no solo el calor o la presión, son los principales impulsores del cambio químico en las profundidades de la Tierra, y que comprender esta relación es vital para reconstruir la dinámica historia del planeta.