Modelado de deformación termomecánico de la zona de subducción del sur de Colombia

Hace 66 millones de años impactó un asteroide de 10-15 km de diámetro en la plataforma carbonatada de Yucatán en el Golfo de México. La eyecta, los sedimentos y la roca de basamento vaporizados al igual que la pluma de impacto introdujeron gases y polvo a la parte alta de la atmósfera provocando varios efectos ambientales que provocaron la extinción masiva del Cretácico/Paleógeno. Los parámetros físicos de la pluma de impacto de Chicxulub son importantes para conocer la evolución durante y después del evento de impacto. La pluma de impacto emitió una luz que registró la química y el grado de vaporización del material impactado. Se han llevado a cabo experimentos teóricos y experiméntales para simular el impacto, al igual que sus efectos a nivel global. Sin embargo, hasta este estudio se han utilizado los sedimentos marinos de donde impacto el asteroide lo que permite tener una idea más clara sobre el impacto del evento (Navarro, 2020). La investigación de doctorado se llevó a cabo en 4 etapas: la caracterización del núcleo Yaxcopoil-1, la simulación del impacto por medio de ablación láser, la simulación del impacto con los sólidos generados durante la ablación láser y el modelaje teórico de los resultados.

La caracterización consistió en un análisis de 92 horizontes (incluyendo 37 horizontes que fueron analizados durante la investigación de maestría) del núcleo de perforación Yaxcopoil-1 en el cráter Chicxulub, de una profundidad que varió desde 599.5 a 1500.01m. Las técnicas utilizadas fueron Pirólisis acoplado a cromatografía de gases- espectrometría de masas (Pirólis-CG-MS), Difracción de Rayos-X (DRX), Termogravimetría y calorimetría diferencial de barrido acoplado a espectrometría de masas (TGA-DSC-MS) y Fluorescencia de Rayos-X (FRX). Con la técnica de Pirólisis-CG-MS se encontró la presencia del elemento tóxico monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2), el contaminante del aire dióxido de azufre (SO2), al igual que sulfuro de carbonilo (COS) y disulfuro de carbono (CS2), los cuales generan aerosoles ricos en azufre al descomponerse por la radiación UV y tienen un efecto importante en la estratósfera. En el análisis de los horizontes, también se encontraron los compuestos orgánicos como el tiofeno, 2 metil-tiofeno y 3 metil-tiofeno en Chicxulub y que son importantes en estudios de paleoclimatología al igual que compuestos de hidrocarburos como el eteno (C2H4) en los horizontes. La composición del núcleo fue similar a diferentes profundidades investigadas. Por medio de la técnica de DRX para el horizonte rico en carbonatos la composición de las fases minerales fue de: 86% de calcita (CaCO3), 6% cuarzo (SiO2), 6% paligorskita (Mg.Al)2Si4O10(OH).4(H2O), 1% halita (NaCl), y 1% silvita (KCl). En cuanto al horizonte rico en sulfatos la composición fue de: 74% de anhidrita, 15% dolomita (MgCa(CO3)2), y 11% plagioclasa intermedia (NaAlSi3O8 – CaAl2Si2O8) en el grupo de los feldespatos. Los gases liberados por la volatilización térmica (TGA a 1450°C) por kilogramo de muestra bajo condiciones adiabáticas para los carbonatos fue de: 375.0 ± 30.1 g de CO2, 1.2 ± 0.3 g de SO2, 1.5 ± 0.3 g de HCl, y 1.3 ± 0.5 g de NO. Para los sulfatos, los gases liberados por kilogramo fueron de: 348.2 ± 32.0 g de SO2, 71.6 ± 5.7 g de CO2, 5.7 ± 0.6 g de HCl, y 1.4 ± 0.01 g de NO. Ambas capas tenían dolomitas, silicatos, filosilicatos y haluros. Por medio de FRX se encontró que el horizonte con más abundancia de carbonatos es a 980.13m.

En esta investigación, se simuló el impacto del asteroide al igual que la pluma de impacto al volatilizar los sedimentos marinos carbonatados y ricos en sulfatos del núcleo de perforación de Yaxcopoil-1 en el cráter Chicxulub con un láser de pulso infrarrojo. En la simulación experimental del impacto, se utilizó un láser de Nd-YAG con una longitud de onda de 1064 nm y una energía de pulso de 50 mJ por pulso. El experimento de ablación estuvo bajo una atmósfera simulada del Cretácico tardío compuesta de 0.16 % CO2, 30% O2, y 69.84% N2 a 1000 mbar. Analizamos dos capas sedimentarias que representan las fases minerales más dominantes de la secuencia del núcleo: los carbonatos y sulfatos. Su composición principal fue de 86% calcita y 74% anhidrita, respectivamente. Las plumas de vapor generadas por el impacto del láser fueron reproducidas en cada capa con la atmósfera simulada del Cretácico/Paleógeno. Los análisis de espectroscopia resuelta en tiempo de las plumas de vapor de impacto se llevaron a cabo con los espectros experimentales y sintéticos.

Las plumas de vapor de impacto tenían temperaturas similares (3 7800 K) a 1 μs y su espectro mostraba emisiones similares. El espectro contenía las siguientes líneas en nm: Ca+ (principalmente a 393.4 y 396.9 y en menor incidencia 370.6 y 373.7), Ca (422.7, 430.3, 443.6, 445.5, 527.0, 560.3, 616.4, y 657.3), N (746.8 y 821.6), O (777.7), y C (794.5). Las bandas moleculares no eran evidentes lo que indica una vaporización completa del material impactado por el pulso del láser. La contribución del basamento granítico fue examinada utilizando los espectros sintéticos. Las emisiones esperadas según sus intensidades son: Na (589.6), Ca+ (393.4), Al (396.2, 309.3), Ca+ (396.9), Ca (422.7), Na (819.5) y K (766.5, 769.9). Los resultados sugieren que la emisión corresponde principalmente a Ca+ y Ca proveniente de la volatilización de los sedimentos marinos, y el Na, Al y K de las rocas del basamento. La evolución fisicoquímica de la pluma de impacto de Chicxulub se puede obtener por medio de la temperatura y de la densidad de electrones de las líneas de emisión de Ca y Ca+. La velocidad de propagación inicial de la onda de choque y la pluma de impacto fue de ~4.5 km s-1 y ~2.3 km s-1, respectivamente. La temperatura y la densidad de electrones de la pluma de impacto simulada para Chicxulub fueron determinadas por las líneas de emisión de calcio. La temperatura inicial y la densidad de electrones fueron determinadas a ~1.8(±0.1)X 104 K y ~5.9(±0.7)X 1017 cm-3, respectivamente. La pluma se expandió de manera adiabática con un valor de calor específico de 1.31±0.03 J/(g·K). La presión inicial se determinó a ~103 bar.

Los sólidos generados durante la ablación del láser fueron larnita (Ca2O4Si), hatrurita (Ca3O5Si) y portlandita (Ca(OH)2). En la modelación teórica, se utilizó un modelo termoquímico para obtener que especies se encuentran en equilibrio termodinámico. Las especies que se observaron principalmente entre 4000 – 6000 K fueron: O, CO, Ca, SiO, Si y CaOgas. A 4000 – 2000 K se observa una mayor concentración de CO2, CO, O2, CaOlíquido, CaOsólido y se observó la formación de larnita. La composición para una temperatura por encima de 2000 K fue de CO2, CO, O2, CaO y hatrurita. También se utilizó un código hidrodinámico con un módulo químico para modelar el impacto de Chicxulub en donde los resultados fueron similares con los datos experimentales.

Durante la etapa de caracterización del núcleo de perforación Yaxcopoil-1 por medio de la técnica de Pirólisis-CG-MS se encontró la presencia de dióxido y monóxido de carbono en la muestra rica en carbonatos. El monóxido de carbono es un compuesto muy interesante ya que es tóxico para los organismos aeróbicos y puede tener un efecto adverso en el ambiente. También se encontraron nuevos compuestos organoazufrados como el sulfuro de carbonilo y disulfuro de carbono que son potencialmente generadores de aerosoles azufrados por su descomposición con la luz ultravioleta y cuyo efecto es importante en la estratosfera. Por esta técnica de pirólisis se determinaron niveles de dióxido de azufre que no se habían encontrado previamente por DRX y TGA-DSC-MS, cumpliendo así́ el objetivo de analizar la presencia de especies azufradas en mayor cantidad en el núcleo. También se encontró la presencia de compuestos como el dióxido de azufre, eteno y compuestos hidrocarburos alifáticos y aromáticos en Yaxcopoil-1. En los resultados de pirólisis también se encontraron nuevas especies químicas como los tiofenos, que pueden ser de gran interés como proxies paleoclimáticos. Los compuestos encontrados en el cráter de Chicxulub corresponden al tiofeno, 2 metil tiofeno y 3 metil tiofeno.
El espectro de emisión para la bola de fuego del impacto de Chicxulub ha sido reproducido por primera vez en el laboratorio utilizando sedimentos del Cretácico recuperados del núcleo de perforación Yaxcopoil-1 en una atmósfera simulada del K/Pg compuesta por 0.16% CO2, 30% O2 y 69.84% N2. Los sedimentos que se seleccionaron de la zona de impacto corresponden a la capa rica en carbonatos a 980.13 m y una capa rica en sulfatos a 1078.74 m.

Por medio de análisis de DRX el horizonte de carbonatos estaba compuesto por las siguientes fases minerales: 86% de calcita (CaCO3), 6% cuarzo (SiO2), 6% paligorskita (MgAl)2Si4O10(OH)4(H2O), 1% halita (NaCl), y 1% silvita (KCl). Los gases liberados por la volatilización térmica (TGA a 1450C) por kilogramo de muestra bajo condiciones no adiabáticas fueron: 375.0  30.1 g de CO2, 1.2  0.3 g de SO2, 1.5  0.3 g de HCl, y 1.3  0.5 g de NO. Por medio de análisis de DRX el horizonte rico en sulfatos contenía: 74% de anhidrita, 15% dolomita (MgCa(CO3)2), y 11% plagioclasa intermedia (NaAlSi3O8 – CaAl2Si2O8) dentro del grupo de los feldespatos. Los gases producidos por volatilización (TGA a 1450C) no adiabáticamente por kilogramo de muestra fueron: 348.2  32.0 g de SO2, 71.6  5.7 g de CO2, 5.7  0.6 g de HCl, y 1.40.01 g de NO. Ambas capas contenían otras fases minerales menores, como la dolomita, silicatos, filosilicatos y haluros.
La absorción de la energía del láser infrarrojo en el material de Yaxcopoil-1 da como resultado una explosión pequeña pero potente la cual se asocia a la ablación de los sedimentos. Se genera una onda de choque como producto de la compresión de la atmósfera que se encuentra alrededor del K/Pg, y se propaga a 4.5 (0.1) km s-1. Por detrás de la onda de choque, se eyecta material de la pluma de impacto a 2.3 (0.4) km s-1.
La nube de gases calientes generados por la descomposición del material que sufrió la ablación se convierte más ligera, se eleva y se expande. Mientras la nube se eleva, se mezcla con el aire que se encuentra en la periferia formando a la nube previa a la formación de la bola de fuego en forma de hongo. Conforme más material se eleva después de la ablación del cráter, la forma de la bola de fuego se convierte más compleja, debido a que se empieza a desacelerar al arrastrar al aire circundante con una velocidad subsónica de 290 (40) m s-1 después de 20 µs. La temperatura inicial de la bola de fuego corresponde a 1.8 (0.1)104 K a 0.2 µs y baja a 12.3 (0.2)103 K a 1 µs y finalmente de 6.9 (0.2)103 K a 4.2 µs. La densidad de electrones inicial fue de 5.9 (0.7)1017 partículas cm-3 a 0.2 µs bajando a 4.0 (0.2)1016 cm3 a 4.2 µs.

La presión de la pluma de impacto fue calculada por shadowgrafía y el grado de ionización por la pluma. La presión bajó de 1031 bar en la ignición del plasma a 0.10.01 bar a 4.2 μs. La pluma se expandió de manera adiabática con una proporción de calor específico de 1.31 0.03 J/(g·K). Se pudieron obtener los parámetros de la pluma de impacto con una muestra de la litología de Chicxulub y se utilizaron las líneas de emisión de calcio para obtener los parámetros físicos de temperatura y densidad de electrones por medio de un láser de Nd-YAG, por lo que se cumplió la hipótesis.
Los resultados proporcionan restricciones a la naturaleza física de los principales componentes químicos de la bola de fuego Chicxulub. Se ha predicho que aproximadamente el 12% del material de la muestra alcanzaría velocidades de escape y sería expulsado del planeta (Kring y Durda, 2002). Sin embargo, la mayor parte del óxido de calcio gaseoso producido por la descomposición térmica del carbonato de calcio se licuaría a <4060 K y se solidificaría a <3160 K. Esto implica que una gran parte del material expulsado se acumularía como líquido produciendo incendios globales (Morgan et al., 2013). El resto del material expulsado se asentaría lentamente como polvo bloqueando la radiación solar entrante y causando enfriamiento global (Vellekoop et al., 2016).

En total se analizaron 3 tipos de bola de fuego: 1) Bola de fuego antes del impacto; 2) Bola de fuego producida en una capa rica en carbonatos y 3) Bola de fuego producida en una capa rica en sulfato. La luz emitida por los tres tipos de bola de fuego fue inducida al enfocar un láser de Nd-YAG en presencia o ausencia de las dos capas minerales, y fueron analizadas en la región espectral de 300 a 850 nm en una ventana de tiempo de 0.2 a 3.2 µs. La bola de fuego antes del impacto mostró las siguientes líneas de emisión para tanto la simulación sintética, así como en el espectro experimental: N a 744.2, 746.8, 818.8, y 821.6 nm y O a 777.7 y 844.6 nm.

La emisión sintética de la bola de fuego de Chicxulub para las capas ricas en carbonato o sulfato contenían una línea de Ca a 427 nm y dos líneas de Ca+ a 393.4 y 396.9 nm. En contraste, en los espectros experimentales se encontraron más líneas espectrales de las cuales 70 fueron identificadas. Las principales líneas en nm corresponden a: Ca+ (principalmente a 393.4 y 396.9 y disminuye en orden de relevancia a 370.6 y 373.7), Ca (422.7, 430.3, 443.6, 445.5, 527.0, 560.3, 616.4, y 657.3), N (746.8 y 821.6), O (777.7) y C (794.5).

La presencia de las líneas de N en el espectro de emisión para la bola de fuego de carbonato y sulfato indica que el aire del K/Pg fue calentado por el frente de choque del impacto al elevarse la bola de fuego en el sitio. La ausencia de las bandas moleculares para el CaO sugiere una vaporización completa del material impactado por el calentamiento inducido por láser.

Sin embargo, líneas de emisión similares se han observado en plumas producidas por impactar proyectiles de Al2O3 o SiO2 en fases de carbonato a 7 km s-1. La principal diferencia es la presencia de bandas de emisión en la banda de color naranja relacionadas al CaO, las cuales indican vaporización completa. Por lo tanto, la volatilización inducida por láser puede proveer información importante sobre las especies químicas formadas en impactos de asteroides.

La contribución del material del basamento a la luz emitida por la bola de fuego no se realizó experimentalmente. La emisión del espectro se hizo sintéticamente para la bola de fuego formada por la volatilización de las rocas del basamento con una composición similar a la sección más baja del anillo del cráter en el sitio M0077 en Chicxulub. Las principales líneas de emisión según sus intensidades corresponden a: Na (589.6), Ca+ (393.4), Al (396.2, 309.3), Ca+ (396.9), Na (819.5) y K (766.5, 769.9). Los resultados sugieren que la bola de fuego contenía líneas de emisión correspondientes a Ca+ y Ca provenientes principalmente de la volatilización de los sedimentos marinos y el Na, Al, y K de las rocas de basamento.

Estos resultados son importantes para delimitar las condiciones fisicoquímicas de la evolución de la bola de fuego de Chicxulub y entender mejor su impacto ambiental; por lo que sería interesante en el futuro llevar a cabo un análisis con el granito proveniente de Chicxulub.
En la simulación del mar somero del Golfo de México se observa que el espectro de sulfato no es muy diferente al de carbonato de calcio, y en ambos las líneas principales corresponden a calcio. Cuando se agregaron tanto una solución de cloruro de sodio como de agua bidestilada se encontró que la señal era atenuada en las regiones espectrales, por lo que no permitía que se observara bien al espectro de emisión.
Los sólidos generados durante la ablación del láser fueron larnita (Ca2O4Si), hatrurita (Ca3O5Si) y portlandita (Ca(OH)2). Estos minerales pudieron haber contribuido en el evento del invierno nuclear en la alta atmósfera después del impacto del asteroide en Chicxulub. Al ser transportados hacia el océano tanto la larnita como la hatrurita se disolvieron afectando el proceso de neutralización en los ácidos que se generaron en el impacto. La portlandita generó una rápida basificación del océano secuestrando a los carbonatos del medio lo que redujo al dióxido de carbono disuelto.

En la modelación teórica, se utilizó un modelo termoquímico para obtener que especies se encuentran en equilibrio termodinámico. Las especies que se observaron principalmente entre 4000 – 6000 K fueron: O, CO, Ca, SiO, Si y CaO gas. A 4000 – 2000 K se observa una mayor concentración de CO2, CO, O2, CaOlíquido, CaOsólido y se observó la formación de larnita. La composición para una temperatura por encima de 2000 K fue de CO2, CO, O2, CaO y hatrurita. También se utilizó un código hidrodinámico con un módulo químico para modelar el impacto de Chicxulub en donde los resultados fueron similares con los datos experimentales.