Ciclo profundo del carbono

El ciclo profundo del carbono (o ciclo lento del carbono ) es el ciclo geoquímico (movimiento) del carbono a través del manto y el núcleo terrestres . Forma parte del ciclo del carbono y está íntimamente conectado con el movimiento del carbono en la superficie terrestre y la atmósfera. 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, alcanzando concentraciones extremadamente altas durante largos períodos de tiempo. ^{[ 1 ]}

Debido a que las profundidades de la Tierra son inaccesibles para la perforación, no se sabe con certeza mucho sobre el papel del carbono en ellas. No obstante, varias evidencias —muchas de las cuales provienen de simulaciones de laboratorio de las condiciones de las profundidades terrestres— han indicado mecanismos para el movimiento de este 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 terrestre. Estudios sobre la composición del magma basáltico y el flujo de dióxido de carbono desde los volcanes revelan que la cantidad de carbono en el manto es mil veces mayor que la de la superficie terrestre. ^{[ 2 ]}

Hay aproximadamente 44 000 gigatoneladas de carbono en la atmósfera y los océanos. Una gigatonelada equivale a mil millones de toneladas métricas , lo que corresponde a la masa de agua de más de 400 000 piscinas olímpicas. ^{[ 3 ]} A pesar de su magnitud, esta cantidad representa solo una pequeña fracción del uno por ciento del carbono de la Tierra. Más del 90 % podría residir en el núcleo, mientras que la mayor parte del resto se encuentra 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 él por evaporación durante su acreción . Sin embargo, incluso teniendo en cuenta la evaporación, los silicatos que componen la corteza y el manto terrestres tienen una concentración de carbono entre cinco y diez veces menor que la de las condritas CI , un tipo de meteorito que se cree que representa la composición de la nebulosa solar antes de la formación de los planetas . Parte de este carbono podría haber terminado en el núcleo. Según el modelo, se predice que el carbono contribuye entre un 0,2 y un 1 por ciento en peso al núcleo. Incluso con 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 composición química de los basaltos de dorsales oceánicas (MORB). Estas deben corregirse para tener en cuenta la desgasificación del carbono y otros elementos. Desde la formación de 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 empobrecido, alrededor de 350 ppm. ^{[ 6 ]}

El carbono ingresa principalmente al manto en forma de sedimentos ricos en carbonatos sobre las placas tectónicas de la corteza oceánica, que lo arrastran hacia el manto al subducirse . Se sabe poco sobre la circulación del carbono en el manto, especialmente en las profundidades de la Tierra, pero numerosos estudios han intentado ampliar nuestra comprensión del movimiento y las formas de este elemento en 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 de gran profundidad en un yacimiento de Juina, Brasil , determinando que la composición global de algunas de las inclusiones de los diamantes coincidía con el resultado esperado de la fusión y cristalización del basalto bajo las temperaturas y presiones del manto inferior. ^{[ 7 ]} Por lo tanto, los hallazgos de la investigación indican que fragmentos de litosfera oceánica basáltica actúan como el principal mecanismo de transporte del carbono hacia el interior profundo de la Tierra. Estos carbonatos subducidos pueden interactuar con silicatos y metales del manto inferior, formando finalmente diamantes de gran profundidad como el encontrado. ^{[ 8 ]}

Los carbonatos que descienden al manto inferior forman otros compuestos además de diamantes. En 2011, se sometieron carbonatos a un entorno similar al de 1800  km de profundidad en la Tierra, dentro del manto inferior. Esto dio como resultado la formación de magnesita , siderita y numerosas variedades de grafito . ^{[ 9 ]} Otros experimentos, así como observaciones petrológicas , respaldan esta afirmación, encontrando 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 temperatura de fusión más alta. ^{[ 10 ]} En consecuencia, los científicos han concluido que los carbonatos sufren reducción a medida que descienden al manto antes de estabilizarse en profundidad por 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.

No obstante, el polimorfismo altera la estabilidad de los compuestos de carbonato a diferentes profundidades dentro de la Tierra. Para ilustrarlo, simulaciones de laboratorio y cálculos de teoría de la densidad funcional sugieren que los carbonatos con coordinación tetraédrica son más estables a profundidades cercanas al límite núcleo-manto . ^{[ 13 ] [ 9 ]} Un estudio de 2015 indica que las altas presiones del manto inferior hacen que los enlaces de carbono transiten de orbitales hibridados sp ₂ a sp ₃ , lo que resulta en un enlace tetraédrico de carbono con oxígeno. ^{[ 14 ]} Los grupos trigonales 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, estudios teóricos preliminares sugieren que las altas presiones hacen que la viscosidad del fundido de carbonato aumente; la menor movilidad de los fundidos como resultado de los cambios de propiedad 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 periodos de tiempo, pero grandes concentraciones de carbono frecuentemente regresan a la litosfera. Este proceso, denominado desgasificación de carbono, es el resultado de la fusión por descompresión del manto carbonatado, así como de las plumas del manto que transportan compuestos de carbono hacia la corteza. ^{[ 16 ]} El carbono se oxida al ascender hacia los puntos calientes volcánicos, donde se libera como CO₂ _. 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 terrestre está bien documentada, estudios recientes sugieren que grandes reservas de carbono podrían almacenarse en esta región. Las ondas de cizallamiento (ondas S) que se propagan 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 ]} Considerando 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 en la región. Una teoría postula que tal fenómeno es el resultado de varios elementos ligeros, incluido el carbono, en el núcleo. ^{[ 18 ]} De hecho, algunos estudios han utilizado celdas de yunque de diamante para replicar las condiciones del núcleo terrestre, 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 el 67% del carbono de la Tierra. ^{[ 19 ]} Además, otro estudio encontró que el carbono se disolvió en el 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 se desconoce 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.

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  Movimiento de las placas oceánicas —que transportan compuestos de carbono— a través del manto.
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  Dos modelos del contenido de carbono en la Tierra

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  El análisis de las velocidades de las ondas de corte ha desempeñado un papel fundamental en el desarrollo del conocimiento sobre la existencia del carbono en el núcleo.
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  Diagrama de carbono unido tetraédricamente al oxígeno

• Observatorio del Carbono Profundo
• Geoquímica del carbono