Tesis doctorales de la Escuela Internacional de Doctorado de la URJC desde el curso 2024/25
The Role of Minerals in the (Bio)-Geochemical Cycles of the Ocean Worlds of the Solar System
Autor
DE DIOS CUBILLAS, ANA
Director
LÓPEZ RUIZ-LABRANDERAS, IVÁN
Directores
PRIETO BALLESTEROS, OLGA; CARRIZO GALLARDO, DANIEL
Fecha de depósito
25-02-2025
Periodo de exposición pública
26 de febrero a 11 de marzo de 2025
Fecha de defensa
30-04-2025 - Salón de Grados. Edificio Departamental I. Campus de Móstoles. a las 11:30 horas
Modalidad
Presencial
Programa
Ciencias
Mención internacional
Solicitada
Resumen
Antecedentes
Las misiones de exploración al Sistema Solar exterior lanzadas a finales del siglo XX revelaron la existencia de múltiples mundos oceánicos, donde podría existir agua en su fase líquida bajo las cortezas de hielo de estos cuerpos, sostenida por el calor primordial y el generado por las fuerzas de marea. Estos océanos subsuperficiales podrían contener sales y compuestos anticongelantes que impedirían su congelación completa, y minerales aislantes, como los clatratos hidratos, que retendrían el calor.
Las evidencias clave que respaldarían la existencia de estos océanos subsuperficiales en el sistema exterior han sido proporcionadas por varios descubrimientos de misiones espaciales lideradas por la NASA. La sonda Galileo detectó una señal magnética autoinducida en la luna de Júpiter Europa, lo que sugeriría la presencia de un océano salado en interacción con el campo magnético del planeta gigante. La sonda Cassini, por su parte, identificó plumas kilométricas de vapor de agua, con contenidos en hidrógeno, dióxido de carbono y metano entre otros hidrocarburos de cadena larga y sales como cloruros, carbonatos y fosfatos de sodio emanando del polo sur de la luna Encélado de Saturno. Además, los espectrómetros de infrarrojo y ultravioleta a bordo de las sondas Galileo y Dawn detectaron sales en Europa y el planeta enano Ceres. En Europa, se identificaron principalmente sulfatos, además de halita y carbonatos, mientras que en Ceres se identificaron carbonatos de calcio-magnesio, sodio y amonio, así como cloruros de sodio y amonio. Estos depósitos se encontraron asociados a estructuras tectónicas, de impacto o criovolcánicas, lo que sugerían un origen endógeno, habiendo sido transferidos a la superficie desde el océano o desde reservorios subsuperficiales de la corteza. Los filosilicatos, minerales formados por alteración acuosa y que constituyen una parte considerable de la composición de la corteza de hielo de agua de Ceres, junto con su núcleo de silicatos hidratados, también respaldarían esta hipótesis. Estas interacciones hidrotermales agua-roca a gran escala solo podrían explicarse con la existencia de un océano subsuperficial global. Estos hallazgos ampliaron el concepto de la zona de habitabilidad, que antes se restringía a planetas del sistema interior con agua en la superficie planetaria, para incluir ahora la posibilidad de hábitats profundos bajo las cortezas de hielo.
No obstante, la caracterización de la zona habitable en el interior de cuerpos planetarios no concluye al confirmar la presencia de agua líquida, sino que también es esencial la existencia de fuentes de energía y de elementos como carbono (C), hidrógeno (H), nitrógeno (N), oxígeno (O), fósforo (P) y azufre (S), que conforman los componentes básicos de la vida. El contacto directo entre el océano subsuperficial y un manto rocoso geotérmico de rocas máficas/ultramáficas adquiere especial relevancia. La desgasificación del manto, junto con las interacciones agua-roca, así como las que ocurren en condiciones hidrotermales, proporcionarían los recursos necesarios –nutrientes y energía química– para sostener un ecosistema quimiolitoautótrofo en ambientes comparables a sus análogos terrestres, como las fuentes hidrotermales y las filtraciones frías de metano. La actividad de estas últimas, conocidas en inglés como cold seeps, está contralada por el escape de gases de carbono desde reservorios subsuperficiales y/o de eventos de disociación de clatratos hidratos.
Europa y Encélado cumplirían con este requisito, pero el caso de Ceres es más complejo ya que actualmente se le considera un mundo oceánico relicto. Situado en el cinturón de asteroides, Ceres no cuenta con las mismas fuerzas de marea que sustentan la actividad geotérmica en lunas como Europa y Encélado. Los únicos factores que podrían mantener la existencia actual de reservorios líquidos en su corteza serían el calor primordial, su alto contenido en amonio, un compuesto anticongelante, y la presencia de capas de clatratos hidratos. A pesar de ello, Ceres puede estar mostrando cierta actividad geológica aparente. Entre 2012 y 2013, el telescopio espacial Herschel de la ESA descubrió plumas de vapor de agua emergiendo de regiones de latitudes medias. A raíz de este hallazgo, surgieron dos posibles explicaciones: procesos de sublimación o que el criovolcanismo de la corteza continuaba activo.
La potencial actividad geológica en el interior de estos mundos oceánicos, en particular en entornos análogos a los sistemas hidrotermales y cold seeps del fondo marino terrestre, así como en procesos criomagmáticos y tectónicos en la corteza, propiciaría la circulación de los elementos CHONPS y, con ello, el desarrollo de los ciclos (bio)-geoquímicos. Desde una perspectiva astrobiológica, esto sería clave para garantizar la habitabilidad de los distintos ambientes que pudieran existir en su interior, ya que regularía la distribución y abundancia de dichos elementos mediante su liberación a través de la alteración/disolución de minerales y la disociación de clatratos hidratos, y su retención a través de la cristalización de minerales y formación de nuevos clatratos hidratos.
Objetivos
El objetivo de la investigación doctoral fue comprender los potenciales ciclos (bio)-geoquímicos en los mundos oceánicos, en particular, cómo la formación de minerales específicos, como clatratos hidratos, carbonatos, sales y silicatos en entornos naturales afectaría a la retención o disponibilidad de elementos esenciales para la vida –como el carbono, azufre y fósforo– o su disociación/alteración en la liberación de moléculas que contienen estos elementos en Ceres y en los entornos potencialmente habitables de Europa y Encélado. Además, se investigó su papel en el desarrollo de procesos geológicos. Las investigaciones se centraron en:
1. Esclarecer los procesos involucrados en la transferencia de elementos bioesenciales que ocurrirían durante las interacciones entre sus océanos subsuperficiales y un manto de silicato de rocas máficas/ultramáficas, así como la posible formación de depósitos de depósitos de clatratos hidratos en o cerca del fondo marino, caracterizando la geoquímica de muestras naturales terrestres de análogos planetarios a los entornos que podrían existir en los fondos marinos de Europa y Encélado, e identificar biomarcadores en estos análogos planetarios.
2. Definir el papel de los clatratos hidratos de CO2 en la geoquímica de los ambientes acuosos dentro de la corteza de hielo de los mundos oceánicos.
3. Caracterizar los procesos geológicos que podrían guiar los procesos de transferencia entre el océano y la superficie.
Conclusiones
Se ha identificado carbono, en forma de depósitos de carbonato, en los tres mundos oceánicos considerados en esta tesis: Europa, Encélado y Ceres.
Como revelaron los capítulos 3, 4 y 5, si existieran caminos que conectaran el océano subsuperficial con la superficie de los mundos oceánicos, permitiendo que los carbonatos y otros materiales fueran transportados a la superficie después de precipitar en entornos similares a los sistemas marinos terrestres, como los cold seeps y los sistemas hidrotermales, entonces su caracterización in situ o el estudio de muestras retornadas de estos depósitos será crucial para evaluar la habitabilidad de estas lunas. Un lander en los mundos oceánicos sería esencial para analizar directamente estos depósitos, así como para utilizar técnicas analíticas complementarias más allá de la espectroscopía infrarroja de la nave espacial, como la espectroscopía Raman y la difracción de rayos X, junto con espectrómetros isotópicos y de moléculas orgánicas, lo que avanzaría significativamente nuestra comprensión sobre el destino de elementos bioesenciales como el carbono, proporcionando información crítica sobre su composición y su potencial para revelar firmas biológicas que podrían indicar la presencia de vida.
La caracterización isotópica estable de carbono y oxígeno de carbonatos análogos, junto con la búsqueda de biomarcadores lipídicos, se vuelve particularmente relevante. Las señales isotópicas de carbono ayudarán a diferenciar entre varias fuentes de carbono, que pueden ser abióticas (magmáticas o derivadas de reacciones hidrotermales) o bióticas, en caso de que se identifiquen signos de vida. En este contexto, los biomarcadores lipídicos proporcionarán información sobre los tipos de microorganismos presentes y las vías metabólicas involucradas en la síntesis de estos carbonatos. Además, el análisis de la señal isotópica de oxígeno-18 en las distintas fases minerales presentes en las muestras carbonáticas, junto con el grado de cristalinidad, será crucial para distinguir potenciales clatritas entre carbonatos autigénicos. La identificación de clatritas evidenciaría indirectamente la presencia de depósitos de clatratos hidratos en la subsuperficie, lo que desde el punto de vista astrobiológico, señalaría potenciales nichos ecológicos ya que los clatratos hidratos atrapan nutrientes esenciales para la vida dentro de su porosidad interpartícula. Además, la movilidad de los clatratos hidratos dentro de los procesos geológicos en mundos oceánicos (por ejemplo, las erupciones criovolcánicas de Encélado, el criovolcanismo, etc.) les permitiría actuar como dinámicos sumideros transitorios de carbono, secuestrando temporalmente gases de carbono del ciclo del carbono mientras los transportan desde ambientes geológicos profundos hacia capas más superficiales, donde los gases huésped atrapados se liberarían y quedarían disponibles para los procesos biológicos.
En el Capítulo 5, se observó que los procesos de interacción entre fluidos ricos en CO2 y un substrato rocoso de composición máfica, especialmente cuando este substrato tiene un alto contenido de vidrio volcánico y fósforo, pueden ser una fuente significativa de bioelementos, entre ellos el fósforo. Este hallazgo resulta relevante para los mundos oceánicos, donde se ha propuesto que el CO2 puede llegar a los océanos subsuperficiales a través de la desgasificación volcánica. Al mezclarse con fluidos hidrotermales, este CO2 podría alterar las rocas ultramáficas y máficas del manto rocoso. El análogo terrestre Cerro Caliente demuestra que, si la palagonitización es posible en estos entornos oceánicos, junto con procesos de serpentinización, la alteración hidrotermal de baja temperatura podría contribuir al aporte de fósforo al medio. Esto, combinado con un pH básico de las aguas oceánicas, ayudaría a explicar la presencia de fosfatos detectados en las plumas criovolcánicas de Encélado.
En el capítulo 6, se establece que los clatratos hidratos podrían desempeñar un papel significativo
en los procesos que transfieren material a la superficie de los mundos oceánicos. Los resultados de
los experimentos mostraron que, bajo las condiciones de la corteza, la interacción de las sales del
criomagma con los gases de carbono liberados tras la disociación de clatratos hidratos podría dar lugar
a la precipitación de clatritas de carbonato. Por lo tanto, algunos de los carbonatos observados en las
superficies de Europa, Ceres y Encélado, así como en sus plumas, podrían corresponder a clatritas,
siempre y cuando el mecanismo geológico que dio lugar a su precipitación involucró procesos de
formación y disociación de clatratos hidratos. De hecho, la composición de las clatritas experimentales
se correlaciona positivamente con la de los carbonatos identificados en las superficies de estos cuerpos
planetarios. La nahcolita, identificada en las señales espectrales de masa de las plumas de Encélado y
propuesta para los depósitos brillantes del cráter Occator en Ceres, es un buen ejemplo. Además, tanto la
nahcolita como la termonatrita serían estables en condiciones subsuperficiales en Ceres, donde también
coexistirían los clatratos hidratos. Las asociaciones minerales de brucita y carbonatos de magnesio
hidratados son candidatos probables para explicar las señales espectrales infrarrojas de Ceres. En
consecuencia, los clatratos hidratos podrían desempeñar un papel significativo en los procesos que
transfieren material hacia la superficie de los mundos oceánicos.
En el capítulo 7, la cartografía de terrenos caóticos en Europa muestra la ausencia de una distribución
geográfica clara de facies con un aumento de la fusión en zonas específicas del mapa, lo que sugiere
que la temperatura no es el único factor determinante para la formación de los terrenos caóticos. La
variabilidad en el tamaño, ubicación y grado de fractura y fusión parcial de las facies entre los terrenos
caóticos grandes y pequeños sugiere que la corteza es heterogénea (con variaciones en la permeabilidad,
tamaño de grano, presencia de capas de clatratos hidratos, contenido en sales y otros minerales, etc.) y
que hay dos fuentes de criomagmas.
Una primera fuente, ubicada en la zona de transición frágil-dúctil de la corteza de hielo, actuaría como
trampa reológica para las salmueras y clatratos hidratos que quedarían atrapados después de ser
transportados desde el océano por las células convectivas ascendentes de la capa dúctil, y una segunda
fuente, más superficial, que estaría relacionada con reservorios líquidos en los niveles superiores de la
capa frágil. Los criomagmas responsables de la formación de los terrenos caóticos de menor tamaño
provendrían de esta segunda fuente, debido a que los niveles superiores de la corteza tienen una mayor
propensión a la fracturación. Las fracturas que conectarían estos reservorios con la superficie, actuarían
como vías de escape directas e inmediatas para el ascenso de criomagma, provocando una fusión
rápida del hielo debido al choque térmico. Por el contrario, los terrenos caóticos grandes en las latitudes bajas podrían explicarse por el ascenso de criomagmas desde la zona de transición frágil-dúctil. A medida que estos criomagmas se aproximan a la superficie, producirán una fusión gradual de esta. Este proceso de fusión comenzaría en la parte superior de la cámara criomagmática debido a la difusión del calor. La acumulación de presión y el debilitamiento del hielo en este nivel resultarían en la ruptura de la superficie en bloques, creando así la facie ii. La facie iii solo se formaría cuando el criomagma lograra aflorar en la superficie al abrirse paso a través de las fracturas.
El mayor tamaño de los criomagmas en latitudes bajas podría indicar que en esta región, se estarían
generando criomagmas de gran envergadura desde la zona de transición frágil-dúctil. Sin embargo,
también podría atribuirse al agrupamiento de criomagmas más pequeños. La potencial heterogeneidad
de la capa frágil podría dar lugar a trampas reólogicas que favorecerían la acumulación y unión de
criomagmas. Por ejemplo, niveles de hielo con un tamaño de grano pequeño podrían comportarse de
manera más compacta y poco permeable, dificultando el ascenso de los criomagmas. Sin embargo, la
acumulación y unión de los criomagmas en este nivel podría mejorar la difusión del calor, facilitando el
ascenso de criomagmas de mayor tamaño hacia la superficie. Esta heterogeneidad en la capa frágil
también podría explicar la presencia de terrenos caóticos de menor tamaño que están compuestos por más de una facie.
Finalmente, desde una perspectiva astrobiológica, caracterizar los materiales endógenos que forman los terrenos caóticos y distinguir aquellos que se originan a partir de criomagmas generados en la zona de transición frágil-dúctil de los que se originan en los niveles superiores de la corteza de hielo proporcionará una comprensión más precisa del papel de estos criomagmas en los ciclos (bio)-geoquímicos que podrían estar operando en Europa, así como sobre la composición y habitabilidad del océano subsuperficial de Europa.
