Introducción
En un laboratorio de Viena, en la primavera de 2009, un estudiante de posgrado de la Universidad de Durham llamado John McNeill iba abriéndose camino por un bote de carrete fotográfico lleno de diamantes feos. Su supervisor, el geoquímico Graham Pearson, entonces en Durham y a punto de trasladarse a la Universidad de Alberta, los había comprado por casi nada. No eran las piedras del escaparate de una joyería. Eran diamantes «ultraprofundos» extraídos con batea de las gravas fluviales cercanas a Juína, en el estado brasileño de Mato Grosso, maltratados y de un marrón turbio, de los que los talladores descartan. El equipo de Pearson los había conseguido por calderilla; la piedra que importaba costó unos 20 dólares. McNeill no buscaba un titular. Intentaba averiguar cómo datar los diamantes, y apuntaba un haz de luz a una inclusión tras otra, leyendo el espectro que cada una devolvía dispersado.
Una mota diminuta, enterrada dentro del diamante e invisible a simple vista, devolvió una señal que nadie esperaba de una roca posada en una mesa de laboratorio. Era ringwoodita, una forma de alta presión del mineral común olivino que, hasta ese momento, solo se había encontrado en meteoritos y se había creado a presión dentro de prensas de laboratorio. Dos años después, cuando Pearson ya había trasladado su laboratorio a la Universidad de Alberta, una medición infrarroja de la misma mota invisible deparó una segunda sorpresa: el cristal estaba húmedo. Húmedo significa aquí que el agua, en forma de hidroxilo ligado a la estructura cristalina, constituía más del uno por ciento de su peso.
Esa piedra de 20 dólares se convirtió en la prueba física detrás de una de las afirmaciones de sonido más extraño de la geología moderna: que a cientos de kilómetros bajo tus pies, sellada dentro de roca sólida, puede haber tanta agua como en todos los océanos de la superficie, o varias veces más. Un diamante desechado y una muralla de sismómetros del ancho de un continente construyeron el caso a favor del agua dentro de la Tierra. Los científicos siguen discutiendo, y mucho, sobre cuánta hay realmente ahí abajo.
¿Hay de verdad un océano dentro de la Tierra?
No hay ninguna caverna de agua de mar chapoteando bajo la corteza, ningún mar sin sol esperando a los exploradores de Julio Verne. Frank Brenker, geocientífico de la Universidad Goethe de Fráncfort que ha trabajado en varios de los diamantes clave, formula la corrección sin rodeos: el agua de ahí abajo está ligada a una roca que «ni se sentiría húmeda ni gotearía agua». El «océano dentro de la Tierra» es una figura retórica sobre la masa.
Lo que es real es más extraño y, en cierto modo, de mayores consecuencias. Entre unos 410 y 660 kilómetros de profundidad se encuentra una capa que los geólogos llaman zona de transición del manto. Separa el manto superior del manto inferior, y la definen dos saltos abruptos en la velocidad de las ondas sísmicas, a 410 km y a 660 km, que marcan dónde los minerales se reorganizan en formas más densas bajo la presión creciente. Los minerales que dominan esa zona tienen, casualmente, un talento inusual. Pueden albergar agua dentro de sus redes cristalinas en cantidades que la roca de encima y de debajo no puede. Si incluso una fracción modesta de la zona de transición está hidratada, el agua ligada allí, convertida en un volumen equivalente en superficie, rivaliza con los océanos o los supera. El «océano», en otras palabras, es una reserva de hidrógeno y oxígeno, almacenada como hidroxilo, repartida por un volumen enorme de roca.
La zona de transición es inalcanzable. El agujero más profundo que la humanidad ha perforado jamás, el pozo superprofundo de Kola, en el noroeste de Rusia, tocó fondo a 12,26 kilómetros, ni siquiera el tres por ciento del camino hasta el techo de la zona de transición. Las presiones a 410 km superan los 13 gigapascales; a 660 km alcanzan unos 23,5 GPa, con temperaturas que suben desde aproximadamente 1.400 hacia 1.650 grados Celsius en su base. Ninguna perforación tomará jamás muestras de esta capa. Todo lo que sabemos de ella procede de tres ventanas indirectas: las ondas sísmicas que la atraviesan, los experimentos de laboratorio que recrean sus presiones y los raros mensajeros minerales, los diamantes, que sobreviven al viaje de subida.
¿Qué es la ringwoodita?
El olivino es el mineral verde que constituye la mayor parte del manto superior. Como gema se llama peridoto. Llévalo lo bastante hondo y sus átomos no pueden conservar su disposición laxa de baja presión; colapsan en empaquetamientos más apretados. Hacia los 410 km, el olivino se convierte en una fase más densa llamada wadsleyita. Más abajo aún, cerca de los 520 km, la wadsleyita se reorganiza de nuevo en ringwoodita, que conserva su estructura hasta unos 660 km. Allí la presión fuerza una última y dramática descomposición: la ringwoodita se disocia en bridgmanita y ferropericlasa, los minerales del manto inferior, y la discontinuidad sísmica de los 660 km marca esa transformación.
La ringwoodita lleva el nombre de Ted Ringwood, el geoquímico australiano que dedicó su carrera a averiguar cómo se reorganizan los minerales del manto bajo presión. Predijo tales fases de alta presión antes de que nadie tuviera en la mano una muestra terrestre. El mineral se identificó por primera vez en 1969 en el meteorito de Tenham, una piedra que cayó en Queensland, Australia, en 1879 y que había sido comprimida por choque con la fuerza suficiente para forjar ringwoodita a partir de su olivino. Durante los 45 años siguientes, toda la ringwoodita que alguien había tocado jamás procedía de un meteorito o de un yunque de laboratorio.
Lo que hace que la ringwoodita importe para el agua es una peculiaridad de su estructura cristalina. La red de tipo espinela tiene sitio para intercambiar grupos hidroxilo por parte de su magnesio y su oxígeno, de modo que puede incorporar hidrógeno con mucha más facilidad que el olivino. El trabajo de laboratorio de Thomas y sus colegas, publicado en Frontiers in Earth Science, midió contenidos de agua de hasta el 1,7 % en peso en ringwooditas sintéticas, con una muestra que alcanzó el 2,5 % en peso según la calibración por SIMS, cifras muy por encima de cualquier cosa que el manto superior ordinario o el manto inferior puedan lograr. Steve Jacobsen, el geofísico de la Universidad Northwestern que lleva años cultivando ringwoodita hidratada de color azul zafiro en su laboratorio, describe el comportamiento con sencillez: «La ringwoodita es como una esponja que absorbe agua. Hay algo muy especial en la estructura cristalina de la ringwoodita que le permite atraer hidrógeno y atrapar agua».
Una capacidad alta no es lo mismo que un contenido alto, y esa distinción está en el centro de todo el debate. Una esponja puede estar completamente seca. La pregunta que el diamante de Juína abrió a la fuerza era si la esponja de la zona de transición está realmente mojada.
¿Cómo lo demostró un diamante?
Los diamantes son los únicos mensajeros capaces de traer intacto a la superficie un mineral de la zona de transición. Un grano de ringwoodita transportado hacia arriba en un magma ordinario se descomprimiría y se calentaría por el camino, revirtiendo a olivino mucho antes de ver la luz del día, que es exactamente la razón por la que todos los intentos anteriores de pillar uno in fraganti habían fracasado. Pero un diamante es una jaula rígida y casi incompresible. Una inclusión atrapada en su interior se mantiene a algo cercano a su presión original, aislada de la reversión que de otro modo la borraría. Los toscos diamantes «superprofundos» de Juína están entre los muy pocos que se sabe que proceden de las profundidades de la zona de transición; el veredicto de Pearson sobre su propia piedra fue que parecía haber «ido al infierno y vuelto».
La piedra que McNeill estudiaba había sido desenterrada en 2008 por mineros artesanales de gravas fluviales someras, traída originalmente a la superficie en kimberlita, la roca volcánica de origen más profundo de todas. Medía tres milímetros y carecía de valor comercial. Después de que McNeill detectara la señal de ringwoodita en 2009, el equipo pasó años confirmándola, combinando difracción de rayos X, espectroscopia Raman y espectroscopia infrarroja para establecer tanto la identidad del mineral como su contenido de agua. El resultado se publicó en Nature en marzo de 2014: la primera ringwoodita terrestre jamás encontrada, y la prueba directa de que la zona de transición es, «al menos localmente», hidratada «hasta aproximadamente el 1 % en peso».
«Es, de hecho, la confirmación de que hay una cantidad muy, muy grande de agua atrapada en una capa realmente diferenciada de la Tierra profunda», dijo Pearson. Una recalibración posterior del espectro infrarrojo de esa misma inclusión, publicada por un equipo que incluía a Jacobsen, situó la cifra en 1,43 ± 0,27 % en peso de H₂O, cerca del máximo que el mineral puede contener, y un número más ajustado que la estimación original.
Dos cautelas acompañaron al descubrimiento desde el principio. Primera, se trataba de un solo grano de un solo diamante, un único dato, por llamativo que fuera, que dice que la zona de transición está húmeda «al menos localmente» y que no puede demostrar por sí solo que toda la capa esté empapada. Segunda, los propios diamantes superprofundos son raros, quizá el uno por ciento de todos los diamantes, y los diamantes tienden a formarse donde hay fluidos presentes, así que puede que muestreen los vecindarios más húmedos y no el promedio. El artículo de 2014 abrió la puerta a una década de discusión sobre lo que había al otro lado.
¿Cuánta agua hay realmente ahí abajo?
El titular popular y la literatura científica se separan en la cantidad. La cifra que la mayoría de la gente ha oído, «tres veces los océanos», es una cita real, pero condicional. Se remonta al segundo gran estudio de 2014, cuando Jacobsen y el sismólogo Brandon Schmandt combinaron experimentos de laboratorio con datos sísmicos. El planteamiento era explícito sobre el «si»: si solo el uno por ciento del peso de la roca de la zona de transición fuera agua, eso por sí solo equivaldría a casi tres veces los océanos de la superficie. Es una extrapolación a partir de un escenario de almacenamiento; nadie ha medido un inventario global.
Un planteamiento distinto, asociado a Brenker y al grupo de la Universidad Goethe, describe el techo y no la línea de llenado: los densos minerales wadsleyita y ringwoodita podrían, en principio, «absorber seis veces la cantidad de agua de nuestros océanos». Eso es una capacidad, el máximo teórico si la zona estuviera totalmente saturada. Si está siquiera cerca de la saturación es la pregunta abierta.
Las estimaciones del contenido real de agua abarcan un rango amplio, y discrepan en más de un orden de magnitud según el método:
- El extremo seco. Huiqian Zhang, Gary Egbert y Qinghua Huang, en Science Advances en 2022, usaron las variaciones geomagnéticas diurnas para inferir la conductividad eléctrica del manto y concluyeron que tanto el manto superior como la zona de transición están «casi secos, con 0,015 y 0,03 % en peso de agua, respectivamente», muy por debajo del equivalente a un solo océano. Incluso su cota superior más laxa alcanzaba solo alrededor del 0,15 % en peso, «con preferencia por los valores más bajos», y advirtieron de que sus observatorios están «sesgados hacia Europa, Asia y Norteamérica». Según esa lectura, el manto desempeña solo un papel pequeño en la circulación del agua de la Tierra.
- El extremo húmedo. Fei y sus colegas, también en Science Advances, infirieron el agua a partir del contraste de viscosidad entre la ringwoodita y la bridgmanita y concluyeron que «la zona de transición del manto contiene de 1 a 2 % en peso de agua», dejándola, en palabras de los autores, «casi saturada de agua a escala global».
- El término medio. Un análisis de Wenzhong Wang y sus colegas que combina la tomografía sísmica con la topografía de la discontinuidad de los 660 km aterriza cerca de un 0,2 % en peso de media en la zona de transición inferior, con una fuerte variación regional, y concluye que toda la zona de transición contiene aproximadamente la masa de un océano de agua. Una amplia revisión de las estimaciones geofísicas sitúa el manto superior cerca de 0,04 océanos, la zona de transición en 0,2 a 1 océano y el manto inferior por debajo de 2 océanos.
La propia variación regional puede ser la respuesta. Como se resume en Eos, el trabajo de Munch y sus colegas encontró que la zona de transición «bajo Europa es coherente con una zona de transición relativamente seca, con menos de 0,05 % en peso (wt%) de H₂O», mientras que «bajo Norteamérica» muestra «un enriquecimiento hasta aproximadamente 0,3 wt% de H₂O». Los estudios de conductividad eléctrica y sísmicos encuentran repetidamente la zona de transición más húmeda bajo las zonas de subducción activa, el Pacífico occidental, partes de Norteamérica y China, y comparativamente seca bajo Europa. En otras palabras, el «océano dentro de la Tierra» es irregular, concentrado donde las losas frías de antiguo fondo marino se han hundido y se han estancado, y escaso donde no lo han hecho. Ningún número global único lo captura.
El ciclo profundo del agua: cómo llega el agua ahí abajo
¿De dónde saldría siquiera el agua de la zona de transición? La respuesta principal es la superficie. En las zonas de subducción, las losas de corteza oceánica, empapadas por su larga vida bajo el mar, cargadas de minerales hidratados y de sedimentos húmedos, se deslizan bajo las placas vecinas y se hunden. La mayor parte de esa agua se exprime a poca profundidad y regresa rápidamente a través de los volcanes de arco. Pero una parte viaja más hondo. El modelado global de la subducción de van Keken y sus colegas sugiere que una fracción significativa, del orden de un tercio del agua atrapada en las losas, pasa los filtros someros, más allá de los 240 kilómetros de profundidad, y sigue hacia la zona de transición, donde la wadsleyita y la ringwoodita esperan para encerrarla.
Esto hace que la zona de transición se comporte como una trampa hidrológica a lo largo del tiempo geológico. El agua baja con las losas frías y se acumula en los minerales de alta capacidad. Como los minerales justo por debajo de los 660 km, la bridgmanita y la ferropericlasa, apenas pueden contener agua, el límite actúa como una tapa: el material que lo cruza hacia abajo se ve obligado a desprenderse de su agua. El planteamiento de que la zona de transición «no es una esponja seca», sino una reserva, es de Brenker, y es la versión que el trabajo posterior de su grupo con diamantes se diseñó para poner a prueba.
Fusión en el borde: las pruebas sísmicas
Tres meses después del artículo sobre la ringwoodita de Juína, Schmandt y Jacobsen publicaron una segunda línea de pruebas en Science, y esta era de escala continental. Schmandt trabajó con datos de USArray, el componente Transportable Array de EarthScope, una malla itinerante de 400 sismógrafos portátiles de banda ancha con un espaciado de unos 70 km que, entre 2004 y 2015, ocuparía casi 1.700 emplazamientos temporales de estación a lo largo de los Estados Unidos contiguos. Buscaba lo que ocurre donde la roca del manto fluye hacia abajo a través del límite de los 660 km. El laboratorio de Jacobsen aportó el mecanismo: cuando la ringwoodita hidratada se empuja más allá de esa profundidad y se transforma en bridgmanita más ferropericlasa, los nuevos minerales no pueden aceptar el agua, así que esta es expulsada. Si la ringwoodita estaba húmeda, el agua expulsada debería desencadenar pequeñas cantidades de fusión.
Ese proceso se llama fusión por deshidratación, y debería dejar una huella sísmica, porque incluso alrededor del uno por ciento de fusión parcial frena las ondas sísmicas de forma detectable. Bajo la red, Schmandt encontró exactamente eso: caídas abruptas de la velocidad sísmica cerca del techo del manto inferior, en buena parte del interior de los Estados Unidos, en los lugares donde los modelos de circulación del manto dicen que el material se está hundiendo. «La fusión que vemos parece estar impulsada por la subducción, el descenso de material del manto desde la superficie», dijo Schmandt. El laboratorio y los datos sísmicos convergieron en la misma conclusión: la zona de transición actúa como una gran reserva de agua, y la fusión por deshidratación en su borde inferior ayuda a atrapar el agua allí.
La señal sísmica cartografía la liberación de agua y no su cantidad total, pero es una prueba sólida de que la zona de transición contiene una cantidad significativa de agua en estas regiones. Este es también el estudio detrás de la frase de «tres veces los océanos», que solo se ofreció como un condicional.
Hielo en un diamante: el hallazgo de 2018
El siguiente giro cambió el hidroxilo ligado por algo más cercano al agua misma. En 2018, un equipo dirigido por Oliver Tschauner, de la Universidad de Nevada en Las Vegas, describió inclusiones de hielo VII, una forma cristalina de alta presión del agua, estable por encima de unos 2,4 GPa, atrapadas dentro de diamantes naturales. En Science, interpretaron el hielo como el residuo congelado de un fluido acuoso que había estado presente cuando los diamantes crecieron, sellado y mantenido bajo presión durante el viaje a la superficie. Era la primera vez que hielo de agua del manto profundo se reconocía como un mineral natural; la Asociación Mineralógica Internacional aprobó el hielo VII como mineral poco antes de la publicación, sobre la base de estas mismas inclusiones.
Los diamantes procedían de varios continentes, con fuentes en África y Asia entre ellas, lo que el equipo interpretó como señal de que se trata de un fenómeno global y no de una rareza local. Las inclusiones apuntan a bolsas ricas en fluido en la zona de transición superior y en torno al límite de los 660 km, que se forman donde el agua ligada químicamente se libera a medida que la roca circula por la región. Si la ringwoodita demostró que los minerales de la zona de transición contienen agua, el hielo VII sugirió que allí también existe fluido acuoso libre, al menos en bolsas.
El diamante de Botsuana y el límite de los 660 km
El problema del dato único de 2014 inquietaba al campo. Aquella primera inclusión era demasiado pequeña para determinar su química completa, así que era difícil saber si representaba un manto ordinario o algún rincón húmedo inusual. En 2022, un equipo que incluía a Brenker y dirigido por Tingting Gu, entonces en el Gemological Institute of America, abordó exactamente esa laguna con un diamante de la mina de Karowe, en Botsuana, publicado en Nature Geoscience.
Esta piedra llevaba una inclusión polifásica, ringwoodita junto a ferropericlasa y enstatita pobre en níquel, además de fases hidratadas, cuya asociación mineral solo pudo haberse formado a unos 23,5 GPa y aproximadamente 1.650 grados Celsius. Eso fija su origen en la discontinuidad de los 660 km, el mismísimo suelo de la zona de transición, más hondo que la muestra de 2014 y justo en el límite con el manto inferior. Esta vez el equipo pudo medir la química global de la inclusión, y coincidía con la roca ordinaria del manto que se encuentra en basaltos de todo el mundo. Era manto ordinario, y estaba saturado de agua.
La petrología también registró un proceso: la ringwoodita descomponiéndose en bridgmanita y ferropericlasa en un entorno saturado de agua, exactamente la reacción de deshidratación que Jacobsen había reproducido en el laboratorio. Los autores concluyeron que las condiciones hidratadas «se extienden al menos a través de la zona de transición y hasta el manto inferior», una imagen más ampliamente hidratada de lo que un solo diamante podía sostener. El resumen de Brenker lo enlazó de nuevo con la vieja fantasía: «Esto también nos acerca un paso más a la idea de Julio Verne de un océano dentro de la Tierra», con la salvedad permanente de que el “océano” es roca hidratada.
La huella dactilar de la fuente: isótopos de potasio
Para la década de 2020, la pregunta había pasado de «¿hay agua?» a «¿de dónde vino, y podemos demostrar directamente el vínculo entre la superficie y el manto?». En 2024, un equipo dirigido por Kai-Chen Xing publicó en Nature Geoscience un enfoque basado en un trazador químico, usando isótopos de potasio en rocas volcánicas cenozoicas del noreste de Asia. El potasio es abundante en el agua de mar y en la corteza oceánica alterada, y sus isótopos se fraccionan por los procesos que hidratan el fondo marino, de modo que una firma isotópica de potasio distintiva puede actuar como huella dactilar del agua que una vez estuvo en la superficie.
La firma que el equipo encontró en magmas procedentes del manto apuntaba a agua en la zona de transición bajo la región que había sido introducida desde la superficie por la losa subducida del Pacífico. Eso cierra un círculo que los estudios anteriores solo podían inferir: la zona de transición no solo está hidratada, sino que al menos parte de su agua es agua superficial reciclada, entregada por la subducción, y no agua primordial sobrante de la formación del planeta. Es un resultado acotado a una sola región, pero refuerza la imagen del ciclo profundo del agua con una química independiente.
Entonces, ¿es un océano?
Un sí con muchos matices. Las pruebas de que la zona de transición del manto contiene agua son ahora múltiples y difíciles de desestimar: un cristal de ringwoodita terrestre que lleva un 1,43 % en peso de agua; firmas sísmicas a escala continental de fusión por deshidratación; inclusiones de hielo VII de varios continentes; un diamante saturado de agua y químicamente ordinario procedente del límite de los 660 km; y una huella dactilar de isótopos de potasio que vincula el agua de la zona de transición con el fondo marino en subducción. El agua de ahí abajo es real: ligada a la roca y, en algunos lugares, abundante.
Lo que sigue sin resolverse es la cantidad. Las estimaciones creíbles, revisadas por pares, van desde una zona de transición casi seca, con alrededor del 0,03 % en peso, un actor menor en el presupuesto de agua de la Tierra, hasta una casi saturada, con del 1 al 2 % en peso, que contendría varios océanos. La lectura más defendible de todo el conjunto de trabajos es que la zona de transición contiene, de media, del orden de la masa de un océano de agua, distribuida de forma desigual, más húmeda bajo la subducción activa y más seca en el resto. La cifra de «tres veces», tan citada, es una extrapolación condicional; «seis veces» es un techo teórico. Citar cualquiera de las dos como una medición establecida exagera las pruebas.
Esa incertidumbre es la parte interesante. Significa que el ciclo profundo del agua, cuánta agua almacena la Tierra en su interior y cómo el intercambio entre la superficie y el interior ha mantenido los océanos más o menos estables durante miles de millones de años, todavía se está midiendo, un diamante improbable y una anomalía sísmica cada vez. Como las discusiones sobre la edad del Gran Cañón o el origen de las formaciones de hierro bandeado, esta es una disputa científica viva en la que los datos todavía están llegando. El diamante de 20 dólares inició una conversación mejor que aquella que se compró para zanjar.
Preguntas frecuentes
¿Hay de verdad un océano de agua dentro de la Tierra?
No, no hay ningún océano líquido ni mar subterráneo dentro de la Tierra. Lo que existe es agua ligada químicamente, en forma de hidroxilo, dentro de los minerales de la zona de transición del manto, entre unos 410 y 660 km de profundidad. Sumada a lo largo de ese volumen enorme, el agua puede igualar o superar la masa de los océanos de la superficie, y por eso se la llama «océano dentro de la Tierra», pero está encerrada en roca sólida que ni se sentiría húmeda ni gotearía.
¿Qué es la ringwoodita y por qué importa?
La ringwoodita es una forma de alta presión del olivino que se forma en la zona de transición, aproximadamente entre 520 y 660 km de profundidad. Su estructura cristalina puede contener agua: en cristales cultivados en laboratorio se han medido hasta aproximadamente un 2,5 % de agua en peso. Como la ringwoodita y el mineral emparentado wadsleyita pueden almacenar mucha más agua que los minerales de encima o de debajo, convierten la zona de transición en una posible reserva profunda de agua. Se detectó dentro de un diamante en 2009 y se confirmó como la primera muestra terrestre en 2014.
¿Cómo saben los científicos que hay agua a tanta profundidad si nadie puede perforar hasta allí?
De tres maneras. Los raros diamantes «superprofundos» llevan intactos a la superficie minerales de la zona de transición, conservando su agua. Las redes de sismómetros como USArray detectan zonas de fusión parcial que indican que se está liberando agua en las profundidades del manto. Y las prensas de laboratorio recrean las presiones de la zona de transición para medir cuánta agua pueden contener los minerales. El pozo más profundo jamás perforado, Kola, alcanzó solo 12,26 km, ni de lejos cerca de la zona de transición.
¿Cuánta agua hay exactamente en el manto de la Tierra?
Nadie lo sabe con precisión, y las estimaciones se contradicen. Algunos estudios sitúan la zona de transición cerca del 0,03 % en peso de agua (bastante menos de un océano); otros, en el 1 a 2 % en peso (varios océanos). Muchos análisis aterrizan cerca de la masa de un océano de media, repartida de forma desigual. La tan citada cifra de «tres veces los océanos» es una extrapolación condicional de 2014, no una medición.
¿El agua del manto vino de la superficie o de la formación de la Tierra?
Probablemente de ambas, pero ahora hay pruebas directas del reciclaje desde la superficie. Un estudio de isótopos de potasio de 2024 vinculó el agua de la zona de transición bajo el noreste de Asia con la losa subducida del Pacífico, mostrando que la tectónica de placas transporta agua superficial hasta el manto profundo a lo largo del tiempo geológico.
