Preguntas abiertas en la geociencia - borrador

[Esta lista responde a una curiosidad personal sobre las preguntas científicas que mantienen ocupados a quienes investigan sobre la Tierra, principalmente en disciplinas relacionadas con la tierra sólida. Un borrador inicial lo esbocé a partir de estudios anteriores (por ejemplo, el del 125 anniversario de Science. o el informe de la NAS Origen y evolución de la Tierra [pdf] [html], o este otro informe de la NAS sobre procesos de superficie), y finalmente con más ideas que surgieron a través de Twitter, discusiones, y de esta entrada del blog anterior. La selección es por tanto arbitraria y las referencias no siempre son las más adecuadas. Cualquier sugerencia serán tenida en cuenta para la versión final. Si crees que tu campo es muy excitante pero está poco o mal representado, por favor, deja un comentario o contacta a través de Twitter con @danigeos]

[Updated English version here; La versión inglesa tiene actualizaciones significativas.]

La Tierra Primitiva y el Sistema Solar 

1. ¿Cómo se formaron la Tierra y los demás planetas del sistema solar? ¿Se formaron in situ o han cambiado frecuentemente de órbita? ¿Qué causó la distinta estructura de capas de los planetas solares? [Reciente artículo en Science sobre Mercurio]
2. ¿Colisionó la Tierra primitiva con otro planeta (Theia), dando origen a nuestro satélite? Sólo hay pruebas circunstanciales, tales como medidas de la duración de la rotación Terrestre y del mes lunar en el pasado, que apuntan a una Luna mucho más próxima a la Tierra durante las primeras etapas del Sistema Solar.
3. ¿Porqué la tectónica de placas domina el paisaje sólo en la Tierra? [artículo de divulgación] ¿Se formó la corteza de la Tierra durante las primeras etapas de su evolución o es el resultado de una destilación gradual del manto que compite en la actualidad con el reciclaje de la corteza en las zonas de subducción? ¿Crece la cantidad de corteza o consigue ese reciclaje compensar su formación en las dorsales centro-oceánicas y otras zonas volcánicas?
4. ¿Cuál ha sido el balance energético de la Tierra en escalas de tiempo geológicas? ¿Cómo descendió su temperatura interna desde que se formó por la acreción de condritas? ¿Cómo de abundantes son los elementos radiogénicos en su interior? ¿Pudo alguna vez un "sol débil y joven" calentar la "bola de nieve" terrestre?
5. ¿Cómo de inherente a la evolución planetaria es el desarrollo de condiciones para la vida? [Ref. 1] Sabemos ahora que los planetas similares a la Tierra son abundantes en nuestra galaxia (dos de cada tres estrellas pueden serlo [por ejemplo, Nature, 2012]), pero ¿cuántos de ellos desarrollan una química duradera basada en el agua?

Interior de la Tierra

1. Cuando los planetas se enfrían, sus procesos internos y los de la superficie coevolucionan, química y mecánicamente, configurando la composición de la atmósfera. ¿Cuál es la composición química y las propiedades mecánicas de las rocas en el manto de la Tierra a la presión y temperatura extremas que sufren? [ref.2]
2. ¿Cuáles son los procesos dinámicos y químicos en el interior de la Tierra que mantienen la tectónica de placas? La futura proliferación de sismómetros de una forma más uniforme sobre la superficie del planeta permitirá obtener imágenes sísmicas del interior mucho mejores, proporcionando una distribución detallada de velocidad de las ondas sísmicas. Al mismo tiempo, los laboratorios de física de minerales delimitarán mejor lo que estas velocidades de las ondas mecánicas nos dicen sobre la composición del manto a las altas profundidades y temperaturas en que se encuentran allí las rocas. Sólo entonces los modelos informáticos podrán poner a prueba los modelos geodinámicos propuestos y tratar de encajar cuantitativamente estos datos y otras observaciones geofísicas tales como variaciones de la gravedad. [ref.3]
3. ¿Cómo encaja el campo geomagnético con las propiedades convectivas del hierro en el interior terrestre? ¿Qué podemos aprender acerca del comportamiento mecánico de los materiales en esas profundidades a partir del campo geomagnético [contexto más? Nature] Los cambios geomagnéticos se registran en las rocas, por lo que proporcionan una vista de la Tierra en el pasado: ¿Son las inversiones magnéticas demasiado rápidas para estar relacionadas con la dinámica del núcleo? [Ejemplo.1] [Ej.2] [Ej.3] Podría su frecuencia estar relacionada con la distribución de las placas tectónicas? [GRL artículo]. ¿Qué causa los supercrones (largos períodos sin inversiones magnéticas)? Algo interno al núcleo, o inducido externamente por el manto o placas en subducción? ¿El campo geomagnético fue siempre dipolar, o fue más asimétrico en el pasado? [introduction]
4. ¿Los hotspots de intraplaca han sido creados por fuentes procedentes del manto inferior de la Tierra? ¿O pueden ser explicados por una convección más somera? [Por ejemplo, Morgan, 1971 , o este documento reciente sobre la geología de Yellowstone].
5. ¿Qué nos dice acerca de la dinámica de la Tierra la heterogeneidad de la densidad, composición y velocidad de las ondas sísmicas en el manto y en la litosfera? [ej.3]
6. ¿Que formó las grandes provincias ígneas y los basaltos masivos de inundación como los basaltos de la cuenca del río Columbia?

Movimiento de las placas tectónicas y la deformación

1. ¿Cómo se transforma el movimiento del manto terrestre en motor de la tectónica de placas? [Por ejemplo, Negredo et al., GRL, 2004, frente a van Benthem y Govers, JGR, 2010]. ¿A qué profundidades tiene lugar esa transferencia de momento? ¿La colisión continental frena la subducción de la placa, como sugiere el paradigma del slab-pull? [Walter Alvarez, EPSL, 2010]
2. ¿Encaja la deformación de largo plazo (deducida del paleomagnetismo y de la geología estructural) con los movimientos actuales derivados a partir de GPS y de la deformación neotectónica en la corteza? [Calais et al., EPSL, 2003] ¿Cómo se relacionan estas observaciones y qué podemos aprender sobre la estructura de la litosfera combinándolas? [ref] ¿Cómo y cuándo se propaga la deformación tectónica hacia el interior de las placas? [Por ejemplo, Cloetingh et al., 2005, QSR ]  
3. ¿El movimiento de las placas está en estado estacionario? ¿Cómo de rígidas son éstas? ¿por qué y cuándo se deforman? [Davis et al, (2005) doi:. 10.1038/nature04781 y Wernicke & Davis, (2010) doi: 10.1785/gssrl.81.5.694]
4. ¿Cómo se acomoda el movimiento relativo entre continentes a lo largo de los límites difusos de placa? (por ejemplo, el límite entre Iberia y África). ¿Qué determina la (a)sismicidad de un contacto de placas?
5. Cómo y cuándo se propaga la deformación de los bordes de los continentes hacia el interior de los mismos? [e.g., Cloetingh et al., 2005, QSR] 
6. Cómo está estratificada la resistencia mecánica de la litosfera: ¿como un jelly sandwich? (con la corteza inferior débil rodeada por corteza superior y manto resistentes) ¿O más bien como una créme brulée? (con una corteza resistente reposando sore el manto dúctil) [Burov & Watts, 2006]. ¿Se concentran los esfuerzos en el manto superior? ¿O justo al contrario? [Por ejemplo, McKenzie et al, 2000;. Jackson, 2002; Handy & Brun, 2004, y un bonito post reciente].
7. ¿Puede el clima influir en la deformación tectónica? ¿Hay alguna evidencia de campo que confirme la hipótesis de que la erosión y el clima pueden cambiar los patrones de deformación tectónica (como predicen los modelos informáticos)? [Willett, 1999; Whipple, 2009 ; García-Castellanos, EPSL, 2007]
8. ¿Pueden predecirse los terremotos? [Ej.4 , ej.5]. La evaluación de riesgo sísmico se basa sobretodo en pronósticos basados a su vez en estadísticas de terremotos en el pasado. Poco se sabe acerca de cómo se forman las fallas y cuándo se reactivan [ej.6], y lo que es peor, no parece haber ningún camino claro para resolver este problema en un futuro próximo. Habrá que esperar a algún descubrimiento inesperado.
9. ¿Pueden predecirse las erupciones volcánicas? ¿Qué determina las tasas de acumulación de magma en las cámaras magmáticas y qué mecanismos desencadenan la erupción? Este es otro campo que parece casi tan necesitado de avances fundamentales como el anterior. [ej.7]
10. A menudo las predicciones de los modelos de isostasia no se ajustan perfectamente a la elevación observada. A la diferencia entre ambos conceptos se le llama topografía dinámica, pero se sabe muy poco sobre su origen. ¿Podemos aprender sobre la convección en el manto a partir de su estudio?

La historia de la superficie terrestre y el medio ambiente actual

Mediterráneo desecado (Autor: Roger Pibernat)

1. Es comúnmente aceptado que el relieve terrestre es el resultado de una compleja interacción entre la deformación tectónica, el clima, y una serie de procesos mecánicos, químicos y biológicos que actúan sobre la superficie de la tierra sólida. La masiva disponibilidad de  modelos topográficos con resoluciones de unos pocos metros ha servido de base y de desafío para una mejor comprensión de la evolución del relieve. Pero, ¿podemos utilizar la topografía para deducir los movimientos tectónicos del terreno?, ¿y para derivar las condiciones climáticas pasadas? ¿Sabemos lo suficiente acerca de los procesos de erosión? ¿es la estocasticidad de los eventos meteorológicos y tectónicos relevante en el paisaje terrestre? ¿Y cuánto ha contribuido la vida a dar forma a la superficie de la Tierra?
2. ¿Se pueden predecir o cuantificar conceptos geomorfológicos clásicos como la peniplanación (enrasamiento progresivo del relieve por la erosión)? Algunas cadenas montañosas como los Apalaches o los Urales retienen su relieve durante periodos de 10^8 años, y numerosos valles fluviales se han conservado bajo kilómetros de hielo antártico en movimiento durante millones de años. ¿Qué determina que el relieve persista durante periodos de tiempo tan largos?  
3. ¿Podemos predecir cuantitativamente la producción y el transporte de sedimentos para evaluar riesgos o para fines científicos? ¿Qué leyes rigen la erosión y el transporte que gobiernan la evolución de la superficie de la Tierra? [NAS SP informe de 2010] ¿Es posible relacionar cuantitativamente los nuevos registros climáticos y tectónicos con el registro sedimentario? ¿Es posible separar las señales de ambos procesos?   [Por ejemplo, Nature Geosc ].  
4. ¿Hasta qué punto quedan grabadas las perturbaciones del clima y la tectónica en el registro estratigráfico? Jerolmack y Paola [2010, GRL] sostienen que la dinámica del transporte de sedimentos puede ser suficientemente "ruidoso" como para borrar cualquier señal de una fuerza externa.
5. ¿Como se han formado los gigantes salinos de la geología? ¿Qué causó y cómo evolucionó el enorme depósito de sal en el Mediterráneo durante la Crisis de Salinidad Mesiniense? ¿Llegó adesecarse el Mediterráneo? ¿Cuáles fueron los efectos sobre el clima y la biología, y qué podemos aprender de los eventos extremos como estos? [Por ejemplo, Hsu, 1983; Clauzon et al, Geología, 1996; Krijgsman et al, 1996; García-Castellanos, 2011 ]
6. ¿Podemos reconstruir cuantitativamente la ecología y el clima pasados en base a los  patrones fluviales? [Por ejemplo, Hartley et al., 2010, J.Sedim.Res.]

El clima, la Vida y la Tierra Sólida

El registro geológico muestra que el clima es relativamente estable en las escalas de tiempo de la tectónica de placas mientras que sufre cambios cíclicos ligados a cambios orbitales, en escalas de entre 20.000 y un millón de años. En períodos más cortos, de entre décadas y milenios, estos cambios son también muy significativos, pero peor comprendidos. El estudio del pasado terrestre, de épocas en las que el planeta estuvo sometido a condiciones climáticas extremas, puede ayudar a entender los mecanismos responsables. 

1. ¿Qué causó el mayor cambio isotópico del carbono en la Tierra? [Nat.Geo revisión]  
2. ¿Fue la Tierra una enorme "bola de nieve" durante las primeras etapas de la vida?
3. ¿Hubo también ríos y lagos en Marte? ¿Hubo grandes inundaciones explosivas similares a las de la Tierra?
4. ¿Cuáles fueron las causas de las extinciones en masa como la del límite KT, el Pérmico-Triásico o el Triásico Tardío? ¿qué controló la recuperación?  [Artículos recientes: ej.8 , ej.9, ej.10 ]
5. ¿Qué desencadenó la extrema variabilidad climática del Cuaternario y la aceleración más o menos coetánea del ritmo de erosión continental y de sedimentación en los márgenes de los continentes? [Peizhen, Molnar et al., 2001] ¿Alguna relación con el cierre tectónico del Estrecho de América Central? ¿Cómo se traducen cuantitativamente estos cambios del clima en cambios del nivel del mar?
6. ¿Qué causó las grandes extinciones del Cuaternario? ¿La expansión humana? ¿El cambio climático? ¿Fue la extinción de gran fauna hace unos 13.000 años un resultado del evento climático conocido como Younger Dryas? ¿Fue causado por un impacto meteorítico? [ ej.11 , ej.12 ] ¿O podría estar relacionada con el desagüe repentino del lago Agassiz ?
7. ¿Qué relevancia tienen los microorganismos del subsuelo en la dinámica de la tierra por su control de la formación del suelo y del ciclo del metano (clima)?
8. La composición de la atmósfera está ligada a la presencia de vida, una fuerza química de gran alcance [Artículo reciente]. La evolución de la Tierra ha afectado claramente la evolución de la vida (ver la explosión cámbrica de vida animal, por ejemplo; un reciente documento). ¿En qué medida la evolución está determinada por la geología? ¿Es posible cuantificar estos enlaces para hacer predicciones confiables que permitan llenar los vacíos de información o la evaluación de las posibilidades de vida extraterrestre?
9. ¿Qué parte del cambio climático actual es antropogénico? ¿Cómo van impactar en el clima las crecientes emisiones de una población mundial cada vez mayor? Una buena parte de la respuesta parece estar en el pasado remoto del planeta. 

Cuestiones abiertas más generales

1. Muchas de las preguntas anteriores están relacionadas con la enorme variabilidad de escalas espaciales y temporales de los procesos terrestres. La observación directa (mediante muestreo de roca o mediante teledetección remota) se limita a una capa delgada alrededor de la superficie sólida de la Tierra, y la experimentación física se limita a las presiones de las capas más superficiales del planeta. Muchos procesos, incluyendo la tectónica de placas dependen de la naturaleza de los materiales que componen la roca, hasta las más pequeñas escalas atómicas. Las respuestas pueden llegar a través de nuevos dispositivos y herramientas analíticas que trabajan a muy altas presiones y temperaturas como las del interior de la Tierra.
2. La diversidad de escalas de tiempo involucradas en la evolución terrestre también plantean un problema a conocer las propiedades mecánicas y químicas de los materiales. En parte porque se trata de escalas de tiempo que varían en muchos órdenes de magnitud, mientras que nuestras observaciones están limitadas al presente. Pero también debido a que la comparación de los experimentos de laboratorio (por ejemplo, la física de minerales) o modelos analógicos (por ejemplo, los experimentos en sandbox)  con la geología no siempre es convincente.
3. Implementación de la episodicidad en el gradualismo: Por razones históricas, la geología en general ha subestimado el papel de la episodicidad en la naturaleza. Sin embargo, los acontecimientos puntuales o excepcionales tienen un peso relevante en muchos subsistemas terrestres. Un ejempo sería el efecto de las grandes inundaciones en la evolución del paisaje. Ya he mencionado la importancia de la variabilidad del clima. También la tectónica de placas pudo haber sido episódica ya durante el Arcaico [ref] y como bien sabemos la deformación tectónica en escalas de tiempo humanas se produce en forma de terremotos, de forma impredecible y episódica. El entendimiento futuro de la Tierra se beneficiará de la incorporación de todo el espectro de frecuencias (la episodicidad) a los modelos de fenómenos naturales, en lugar de aproximarnos sistemáticamente a estos procesos como si se trataran de fenómenos graduales.

Referencias generales:
Zwaan, J. (2010). Origin and evolution of earth: Research questions for a changing planet by the committee on grand research questions in the solid-earth sciences, National Research Council. National Academies Press, Washington, D.C., 2008. No. of pages: 137. (paperback). Geological Journal, 45 (2-3), 350-350 DOI: 10.1002/gj.1188