El ciclo profundo del carbono (o ciclo lento del carbono ) es un ciclo geoquímico (movimiento) del carbono a través del manto y el núcleo de la Tierra . Forma parte del ciclo del carbono y está íntimamente relacionado con el movimiento del carbono en la superficie y la atmósfera de la Tierra. Al devolver el carbono a las profundidades de la Tierra, desempeña un papel fundamental en el mantenimiento de las condiciones terrestres necesarias para la existencia de la vida. Sin él, el carbono se acumularía en la atmósfera y alcanzaría concentraciones extremadamente altas durante largos períodos de tiempo. [1]
Como las profundidades de la Tierra son inaccesibles a las perforaciones, no se sabe mucho de manera concluyente sobre el papel del carbono en ellas. No obstante, varias pruebas (muchas de las cuales proceden de simulaciones de laboratorio de las condiciones de las profundidades de la Tierra) han indicado los mecanismos del movimiento del elemento hacia el manto inferior, así como las formas que adopta el carbono a las temperaturas y presiones extremas de esta capa. Además, técnicas como la sismología han permitido comprender mejor la posible presencia de carbono en el núcleo de la Tierra. Los estudios de la composición del magma basáltico y del flujo de dióxido de carbono que sale de los volcanes revelan que la cantidad de carbono en el manto es mil veces mayor que en la superficie de la Tierra. [2]
En la atmósfera y los océanos hay unas 44.000 gigatoneladas de carbono. Una gigatonelada equivale a mil millones de toneladas métricas , lo que equivale a la masa de agua de más de 400.000 piscinas olímpicas. [3] Por grande que sea esta cantidad, solo representa una pequeña fracción del uno por ciento del carbono de la Tierra. Más del 90% puede residir en el núcleo, y la mayor parte del resto en la corteza y el manto. [4]
En la fotosfera del Sol, el carbono es el cuarto elemento más abundante . Es probable que la Tierra comenzara con una proporción similar, pero perdió gran parte de ella por evaporación a medida que se acumulaba . Sin embargo, incluso teniendo en cuenta la evaporación, los silicatos que forman la corteza y el manto de la Tierra tienen una concentración de carbono que es de cinco a diez veces menor que en las condritas CI , una forma de meteorito que se cree que representa la composición de la nebulosa solar antes de que se formaran los planetas . Parte de este carbono puede haber terminado en el núcleo. Dependiendo del modelo, se predice que el carbono contribuirá entre el 0,2 y el 1 por ciento en peso en el núcleo. Incluso en la concentración más baja, esto representaría la mitad del carbono de la Tierra. [5]
Las estimaciones del contenido de carbono en el manto superior provienen de mediciones de la química de los basaltos de las dorsales oceánicas (MORB, por sus siglas en inglés). Estas mediciones deben corregirse para tener en cuenta la desgasificación del carbono y otros elementos. Desde que se formó la Tierra, el manto superior ha perdido entre el 40 y el 90 % de su carbono por evaporación y transporte al núcleo en compuestos de hierro. La estimación más rigurosa arroja un contenido de carbono de 30 partes por millón (ppm). Se espera que el manto inferior esté mucho menos agotado, alrededor de 350 ppm. [6]
El carbono entra al manto principalmente en forma de sedimentos ricos en carbonatos en las placas tectónicas de la corteza oceánica, que atraen el carbono hacia el manto al sufrir subducción . No se sabe mucho sobre la circulación del carbono en el manto, especialmente en las profundidades de la Tierra, pero muchos estudios han intentado aumentar nuestra comprensión del movimiento y las formas del elemento dentro de dicha región. Por ejemplo, un estudio de 2011 demostró que el ciclo del carbono se extiende hasta el manto inferior. El estudio analizó diamantes raros y superprofundos en un sitio en Juina, Brasil , y determinó que la composición en masa de algunas de las inclusiones de los diamantes coincidía con el resultado esperado de la fusión y cristalización del basalto bajo temperaturas y presiones más bajas del manto. [7] Por lo tanto, los hallazgos de la investigación indican que los trozos de litosfera oceánica basáltica actúan como el principal mecanismo de transporte del carbono al interior profundo de la Tierra. Estos carbonatos subducidos pueden interactuar con los silicatos y metales del manto inferior, formando finalmente diamantes superprofundos como el encontrado. [8]
Los carbonatos que descienden al manto inferior forman otros compuestos además de diamantes. En 2011, los carbonatos fueron sometidos a un entorno similar al de 1800 km de profundidad en la Tierra, bien dentro del manto inferior. Al hacerlo, se formaron magnesita , siderita y numerosas variedades de grafito . [9] Otros experimentos, así como observaciones petrológicas , respaldan esta afirmación, al encontrar que la magnesita es en realidad la fase de carbonato más estable en la mayor parte del manto. Esto se debe en gran medida a su mayor temperatura de fusión. [10] En consecuencia, los científicos han concluido que los carbonatos experimentan una reducción a medida que descienden al manto antes de estabilizarse en profundidad mediante entornos de baja fugacidad de oxígeno . El magnesio, el hierro y otros compuestos metálicos actúan como amortiguadores durante todo el proceso. [11] La presencia de formas elementales reducidas de carbono como el grafito indicaría que los compuestos de carbono se reducen a medida que descienden al manto.
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Sin embargo, el polimorfismo altera la estabilidad de los compuestos de carbonato a diferentes profundidades dentro de la Tierra. Para ilustrarlo, las simulaciones de laboratorio y los cálculos de la teoría funcional de la densidad sugieren que los carbonatos coordinados tetraédricamente son más estables a profundidades que se acercan al límite núcleo-manto . [13] [9] Un estudio de 2015 indica que las altas presiones del manto inferior hacen que los enlaces de carbono pasen de orbitales hibridados sp 2 a sp 3 , lo que da como resultado que el carbono se enlace tetraédricamente al oxígeno. [14] Los grupos trigonales de CO 3 no pueden formar redes polimerizables, mientras que el CO 4 tetraédrico sí puede, lo que significa un aumento en el número de coordinación del carbono y, por lo tanto, cambios drásticos en las propiedades de los compuestos de carbonato en el manto inferior. Como ejemplo, los estudios teóricos preliminares sugieren que las altas presiones hacen que la viscosidad de la masa fundida de carbonato aumente; la menor movilidad de las masas fundidas como resultado de los cambios de propiedades descritos es evidencia de grandes depósitos de carbono en las profundidades del manto. [15]
En consecuencia, el carbono puede permanecer en el manto inferior durante largos períodos de tiempo, pero grandes concentraciones de carbono con frecuencia encuentran su camino de regreso a la litosfera. Este proceso, llamado desgasificación de carbono, es el resultado de la fusión por descompresión del manto carbonatado, así como de las columnas del manto que transportan compuestos de carbono hacia la corteza. [16] El carbono se oxida durante su ascenso hacia los puntos calientes volcánicos, donde luego se libera como CO 2 . Esto ocurre para que el átomo de carbono coincida con el estado de oxidación de los basaltos que erupcionan en dichas áreas. [17]
Aunque la presencia de carbono en el núcleo de la Tierra está bien restringida, estudios recientes sugieren que grandes inventarios de carbono podrían estar almacenados en esta región. Las ondas de corte (S) que se mueven a través del núcleo interno viajan a aproximadamente el cincuenta por ciento de la velocidad esperada para la mayoría de las aleaciones ricas en hierro. [18] Teniendo en cuenta que se cree ampliamente que la composición del núcleo es una aleación de hierro cristalino con una pequeña cantidad de níquel, esta anomalía sismográfica apunta a la existencia de otra sustancia dentro de la región. Una teoría postula que tal fenómeno es el resultado de varios elementos ligeros, incluido el carbono, en el núcleo. [18] De hecho, los estudios han utilizado celdas de yunque de diamante para replicar las condiciones en el núcleo de la Tierra, cuyos resultados indican que el carburo de hierro (Fe 7 C 3 ) coincide con las velocidades de sonido y densidad del núcleo interno considerando su perfil de temperatura y presión. Por lo tanto, el modelo de carburo de hierro podría servir como evidencia de que el núcleo contiene hasta un 67% del carbono de la Tierra. [19] Además, otro estudio encontró que el carbono se disolvió en hierro y formó una fase estable con la misma composición Fe 7 C 3 , aunque con una estructura diferente a la mencionada anteriormente. [20] Por lo tanto, aunque no se conoce la cantidad de carbono potencialmente almacenado en el núcleo de la Tierra, investigaciones recientes indican que la presencia de carburos de hierro podría ser consistente con las observaciones geofísicas.
