La convección del manto y la tectónica de placas asociada de planetas como la Tierra están gobernadas por la deformación de las rocas del manto. Esta deformación se produce a través del movimiento de defectos en las redes cristalinas de los minerales. Por lo tanto, las propiedades físicas de estos defectos estructurales bajo presión tienen profundas implicaciones en la dinámica de los planetas similares a la Tierra.
Nuestro equipo de investigadores colaborativo, liderado por el Dr. Sebastian Ritterex, un ex posdoctorado del Centro de Investigación de Geodinámica, Universidad de Ehime, y ahora investigador del Departamento de Ciencias de la Tierra, Universidad de Utrecht, aplicó simulaciones masivas de computación de alto rendimiento en paralelo basadas en el modelado cuántico a escala atómica para arrojar nueva luz sobre el comportamiento enigmático de los límites de grano bajo las presiones extremas que prevalecen en los interiores planetarios. Esta metodología teórica, llamada “ab initio simulations”, nos permite calcular el enlace químico con mucha precisión. Es una herramienta poderosa para determinar las propiedades de los materiales en condiciones extremas en el interior de los planetas donde es difícil realizar experimentos.
Con base en el enfoque teórico de la física mineral mencionado anteriormente, nuestro equipo examinó el comportamiento mecánico y las propiedades termodinámicas de los límites de grano de inclinación de alto ángulo en (Mg,Fe)O ferropericlasa, el segundo mineral más abundante en el manto inferior de la Tierra y posiblemente en los mantos de los exoplanetas super-Tierra. En este estudio, además de la teoría funcional de densidad estándar, se aplicó el método LDA+U internamente consistente para reproducir la estructura electrónica del hierro de manera más precisa.
Los resultados del comportamiento mecánico indican que las condiciones de muy alta presión en los planetas terrestres tienen un fuerte efecto en los mecanismos de movimiento de los límites de grano que gobiernan la deformación intercristalina (imagen 1). Nuestra investigación demostró por primera vez que las transformaciones estructurales de las interfaces de grano, inducidas por presión con el aumento de la profundidad en los mantos planetarios, desencadenan un cambio en el mecanismo y en la dirección del movimiento de los límites de grano. También demostramos que el debilitamiento mecánico significativo de los límites de grano puede desarrollarse bajo presiones de múltiples megabares (imagen 1). Esto es contrario a la intuición porque generalmente se piensa que con el aumento de la presión, los arreglos atómicos en los materiales se embalan más estrechamente, lo que los hace más duros. Este fenómeno de debilitamiento del límite de grano es causado por un cambio en la estructura del estado de transición de los límites de grano durante su movimiento bajo presiones extremadamente altas. Los análisis de sus datos presentados en el Journal of Geophysical Research: Solid Earth publicado en abril de 2024 identifican el debilitamiento del límite de grano en la ferropericlasa como uno de los mecanismos potenciales para las reducciones de viscosidad con el aumento de la profundidad en el manto de los exoplanetas super-Tierra.
Nuestro equipo realizó un modelado termodinámico adicional del comportamiento de la partición de hierro entre la masa y los límites de grano. Determinamos que el tamaño de grano es un factor importante para controlar la segregación de hierro en los límites de grano en la ferropericlasa policristalina en el manto inferior caliente y denso. Es bien sabido que la incorporación de Fe(II) sustitutorio en MgO a granel tiene un efecto significativo en sus propiedades físicas, como la densidad y las velocidades de las ondas sísmicas, ya que Fe(II) experimenta una transición de espín electrónico a alta presión en el interior de la Tierra. No había información previa sobre los estados de espín de Fe(II) dentro de los límites de grano. Nuestro modelado ahora muestra que el estado de espín electrónico de Fe(II) dentro de los límites de grano de inclinación de ferropericlasa está controlado por transformaciones estructurales de límites de grano a alta presión en el manto inferior de la Tierra. Este mecanismo influye en las condiciones de presión del cruce de espines de hierro en (Mg,Fe)O policristalino con tamaños de grano de micrómetros o más pequeños. Los hallazgos indican que la presión del cruce de espines de hierro en la ferropericlasa puede aumentar en varias decenas de GPa debido a las transiciones de límites de grano estructurales inducidas por la presión en regiones de manto inferior de grano fino dinámicamente activas en comparación con regiones más termodinámicamente estables en el manto inferior.
Nuestro grupo está muy contento con estos avances, sin embargo, se necesitarán más datos sistemáticos del modelado teórico, así como de experimentos y observaciones de microscopía electrónica, para lograr una mejor comprensión de los efectos colectivos de los límites de grano en las propiedades reológicas y termodinámicas de la ferropericlasa policristalina en las presiones y temperaturas apropiadas en los mantos planetarios.
