La Tierra bola de nieve

Verónica Alfaro VilaConstantino García Ares

Andrea Lagoa Núñez Carmen López Díaz

Sergio Martínez Domínguez

1º de Biología, Geología10/11/2015

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Índice:

1. Introducción.

1.1. ¿Qué es la Tierra bola de nieve?1.2. Cronología geológica del suceso.1.3. Formulación de la hipótesis.1.4. Discusión y controversia: diferentes hipótesis sobre la Glaciación global.1.5. Contexto de formación de la Tierra Bola de Nieve.

1.5.1. Rodinia.1.5.2. Atmósfera.

2. Mecanismo generador: teoría de P.Hoffman.

2.1. Proceso de formación de la Glaciación global: origen y causas.2.2. Final de las sucesivas glaciaciones.2.3. Mantenimiento cíclico de las glaciaciones. Duración de las glaciaciones.2.4. El fin de la Glaciación global: la fragmentación de Rodinia y la ruptura del ciclo.2.5. Sedimentos y rocas característicos del Criogénico.

Nota: las evidencias ligadas a este proceso se incluyen en su explicación. Otras evidencias seresaltarán en el apartado 4.

3.Consecuencias.

3.2. Consecuencias paleoclimáticas.3.3. Consecuencias para la biosfera: la biota de Ediacara.

4. Otras evidencias.

4.1. Formaciones de hierro bandeadas (BIF's).4.2. Evidencias basadas en isótopos radioactivos.

5. Bibliografía.

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1. Introducción.

1.1. ¿Qué es la Tierra bola de nieve?La Tierra bola de nieve (conocida en inglés como Snowball Earth) o Glaciación global es unateoría paleoclimática que defiende la existencia de una o varias glaciaciones globales, es decir,que cubrieron de hielo por completo la Tierra, durante el período Criogénico.

1.2. Cronología geológica del suceso.El periodo Criogénico se sitúa a finales del eón Proterozoico dentro de la eraNeoproterozoica, y abarca el periodo temporal 850~635Ma, aunque otros autores proponenotra data final situada en los 580Ma, fecha que coincide con la edad de los fósiles de la biotade Ediacara más antiguos encontrados actualmente, que abren el siguiente periodo(Ediacárico). El inicio del Criogénico se marca mediante la datación de los sedimentosglaciares más antiguos de la época utilizando isótopos radioactivos. Su final, que da paso alperiodo Ediacárico, se define mediante la datación con isótopos radioactivos de los depósitoscarbonatados “cap-dolostone” formados tras las glaciaciones características de este periodo.

1.3. Formulación de la teoría.La formulación actual de la Tierra bola de Nieve se atribuye a Paul Hoffman y colaboradores(Hoffman et al., 1998). No obstante, es una teoría que se ha ido gestando a lo largo de 50 añosen la que participaron numerosos investigadores de campos muy variados. Cabe destacar queel primer investigador en emplear el término Tierra bola de nieve fue J.L.Kirschvink en el año1992.

1.4. Discusión y controversia: diferentes hipótesis sobre la Glaciación global.Hoy por hoy, la teoría más aceptada sobre la Glaciación global es la anteriormente citada(Hoffman et al.,1998), si bien todavía existe una acusada controversia respecto al número yduración de glaciaciones durante este periodo: se cree que hubo 2 o 4 episodios glaciares(existen indicios que apuntan hacia ambas hipótesis, aunque actualmente la mayoritaria es laprimera), algunos de alcance global y otros no. Algunos autores rechazan el carácter global decualquiera de estas glaciaciones, reduciéndolas a episodios glaciares locales. Otros sostienenque existieron cuatro glaciaciones sucesivas que no se expandieron globalmente, si no queformaron glaciares continentales de gran tamaño que se extendieron hasta el ecuador enalgunos casos, por lo que según esta hipótesis los océanos no se congelaron.

A pesar de que hoy en día existe consenso sobre el mecanismo generador de estos episodiosgélidos (se acepta el propuesto por Hoffman y colaboradores), en el pasado se propusieronnumerosas hipótesis sobre el mismo actualmente descartadas:

1. La órbita de la Tierra sería muy elíptica, lo que ocasionaría grandes contrastes térmicosentre invierno y verano. Así, se sucederían numerosas glaciaciones muy extensas durante elinvierno seguidas de periodos interglaciares en verano.

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2. La inclinación del eje terrestre respecto a su plano de órbita sería muy acusada (entre 54º y60º), por lo que los polos serían más calientes que el ecuador, que se convertiría en la zonamás fría del planeta. Esto explicaría la presencia de sedimentos glaciares en zonas que en laépoca se situaban en el ecuador. Esta hipótesis está completamente descartada ya que el eje degiro de la tierra es prácticamente constante debido a la acción estabilizadora ejercida por lafuerza gravitacional de la luna. En definitiva, no se consiguió explicar este supuesto cambiobrusco en el eje terrestre.

A través del análisis de los datos paleomagnéticos ambas hipótesis pueden ser refutadas yaque éstos muestran que las sucesiones de sedimentos carbonatados del Neoproterozoico seformaron a bajas latitudes, lo que indica que el gradiente climático meridional no se invirtió,fenómeno que hubiese tenido lugar si el eje de rotación del planeta hubiese sido muy oblicuo.

1.5. Contexto de formación de la Tierra Bola de Nieve.1.5.1. Rodinia.Rodinia es un elemento clave en la teoríade la Glaciación Global puesto que sudisposición paleogeográfica fue lacausante última de la misma. Ladisposición paleogeográfica de Rodiniafue reconstruida por Paul Hoffmanbasándose en el paleomagnetismo (lasrocas deben presentar una orientaciónacorde a los datos paleomagnéticos de laépoca) y en la correlación de unidadesgeológicas (el paleorelieve debe sercontinuo).

Rodinia comienza a ensamblarse haceaproximadamente 1.300 Ma, y no terminade hacerlo hasta 300 Ma después. En suformación, primero colisionaronLaurentia y Báltica, lo que produjo laformación, hace 1.100 Ma del orógeno deGreenville, una cadena montañosa deelevada altitud y de gran longitud (ronda los 5000 km). Posteriormente chocó la Antártidacontra Laurentia, formando en el impacto numerosos orógenos conectados entre amboscontinentes, lo que se conoce como la conexión del SWEAT. Rodinia comenzó a fragmentarse(Figura 1), aproximadamente, 750 Ma atrás, y no terminaría de hacerlo completamente hasta150 Ma más tarde. Es necesario señalar que otras fuentes proponen otras datas de estosfenómenos.

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Figura 1. Configuración paleogeográfica de Rodinia antes de su fragmentación hace 750 Ma. El orógeno de Greenville se representa en marrón oscuro, y las zonas defractura con franjas negras. (Cengage, 2013)

1.5.2. Atmósfera.La atmósfera neoproterozoica presentaba una mayor concentración de CO2, lo que provocabaun mayor efecto invernadero (temperatura global más alta) y lluvias ácidas más intensas, loque intensificaba la meteorización química. No existía una capa de ozono que protegiese alplaneta de las radiaciones ultravioleta, por lo que parte del O2 libre de esta atmósferaprimitiva, todavía muy escaso, se disociaba en oxígeno elemental y ozono (O3) comoconsecuencia del impacto de este tipo de radiación. La atmósfera pasa de ser reductora aoxidante durante el Proterozoico debido al O2 liberado por procesos fotosintéticos, demeteorización y de disociación fotoeléctrica. Al inicio de este periodo el nivel de O2 secorrespondía con el 1%, mientras que al final, antes de los episodios glaciares del Criogénico,el nivel ya se situaba en el 10% (Figura 4).

2. Mecanismo generador: teoría de P. Hoffman.2.1. Proceso de formación de la Glaciación global: origen y causas.Hace 750 Ma aproximadamente, las masas continentales de Rodinia, que comenzaban afragmentarse, se situaban en latitudes medias y bajas, por lo que su posición paleogeográficabloqueaba las corrientes cálidas que circulaban desde el ecuador hasta los polos provocandoun descenso de su temperatura. Además, debido a esta posición ecuatorial de Rodinia seacelera la meteorización química de diversos silicatos al recibir mayor radiación solar. Através de este proceso los silicatos absorben CO2 procedente de la atmósfera o de las intensaslluvias ácidas de la época (el CO2, emitido mayoritariamente por volcanes, reacciona con elvapor de agua atmosférico produciéndolas) que se transforma en CaCO3 según la reacciónCO2+CaSiO3→CaCO3+SiO2, provocando una disminución del efecto invernadero, lo que setraduce en un descenso brusco de la temperatura de la tierra, que alcanza los -40 ~ -50ºC demedia (-20ºC en el ecuador, -80ºC en los polos). La disminución del efecto invernadero fueintensificada por la actividad fotosintética, que estaba cobrando protagonismo durante esteperiodo, provocando un mayor enfriamiento global y una oxigenación progresiva de laatmósfera.

Debido al descenso de temperatura provocado por los mecanismos citados, se comienzan aformar capas de hielo en los mares de ambos polos, que además producen una mayor bajadade las temperaturas debido al efecto albedo, por el que el hielo, al ser muy claro, refleja granparte de las radiaciones y, por tanto, gran parte del calor procedente del sol; provocando laaceleración de la extensión de los hielos por la superficie terrestre hasta entrar en contactocerca del ecuador. De hecho, el efecto albedo es tan intenso que una tierra completamentehelada reflejaría mediante el mismo un 70% de la radiación solar, y se intensifica a bajastemperaturas debido a un cambio en la estructura cristalina del hielo formado que produce unamayor reflexión de la radiación solar. Además, una vez que la expansión de los hielos harebasado una latitud crítica de 30ºN y S, ésta se intensifica debido a un incremento de laretroalimentación del efecto albedo (Kirschvink,1992; Hoffman et al.,1998). Así, la Tierraquedó cubierta por una capa de hielo que rondaba entre los 3 km de espesor en los polos y los1.5km en el ecuador.

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2.2. Final de las sucesivas glaciaciones.La formación de estos glaciares globales conduce a su autodestrucción ya que bloquea dosfenómenos, explicados anteriormente, que tienden a absorber gran cantidad de CO2 de laatmósfera ya que están aislados de la misma por las capas de hielo: fotosíntesis ymeteorización química de silicatos. La ausencia de estos dos procesos aumenta laconcentración de CO2 en la atmósfera de manera exponencial debido a que no se consume, loque se traduce en un gran aumento del efecto invernadero y, por tanto, de la temperaturaglobal del planeta, que acaba provocando la fusión de los hielos. Ésta se ve acelerada debido auna disminución muy acusada del efecto albedo producida por la reducción de la superficiehelada, por lo que la tierra acepta más energía proveniente de las radiaciones solares. Estoocasiona un contraste climático muy acusado, pasando de temperaturas por debajo de -40ºC aotras que llegan a los 50ºC en un tiempo que, a escala geológica, es ínfimo. Así, se pasa de unclima glacial a uno cálido con un potente efecto invernadero.

Cabe destacar que el final de las sucesivas glaciaciones globales también fue desencadenadopor la intensa actividad volcánica de la época, que liberó a la atmósfera grandes cantidades deCO2 y CH4, gases causantes del efecto invernadero, lo que desencadenó una subida global dela temperatura y la consecuente fusión de los hielos, provocando un aumento notable del niveldel mar.

2.3. Mantenimiento cíclico de las glaciaciones. Duración de los episodios glaciares.Estos episodios glaciales globales se mantuvieron cíclicamente debido al mantenimiento de laposición paleogeográfica ecuatorial de Rodinia, lo que provocaba la aparición de una nuevaglaciación tras el fin de otra gracias al mecanismo explicado anteriormente. Lo más probablees que este ciclo se haya repetido dos veces entre hace 850 y 580 Ma, aunque, como yacomentamos, hay autores que defienden la existencia de 4 periodos glaciares dados por esteciclo. De hecho, el propio Hoffman se debate entre estas dos posibilidades. Estos dos periodosglaciares de denominan Glaciación de Sturtian y Glaciación de Varangian/Marinoan, y suinicio y duración son fruto de una gran controversia. La primera se sitúa en torno hace760/730 Ma y finaliza hace 700 Ma. El segundo episodio se inicia hace 665/650 Ma y terminahace, aproximadamente, 635 Ma.

2.4. El fin de la Glaciación global: la fragmentación de Rodinia y la ruptura del ciclo.El ciclo de repetición de las glaciaciones se mantendría intacto hasta que la fragmentación deRodinia avanzase, es decir, hasta que su posición paleogeográfica se alejase del ecuador,deteniendo la aceleración de la meteorización química y restaurando las corrientes oceánicascálidas. Por tanto, ya no habría una disminución de los niveles de CO2 ni, por tanto, de latemperatura global, por lo que no se originaría una nueva glaciación, produciéndose así laruptura del ciclo y la estabilización climática. Se cree que la intensa actividad volcánica quetuvo lugar durante las glaciaciones por debajo de las capas heladas propició unafragmentación más rápida de Rodinia.

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El último episodio glaciar (Glaciación de Varanger/Marinoan) termina hace 635 Maaproximadamente con la fusión de unos hielos bajo los cuales ya se situaba una Rodiniafragmentada en grandes masas continentales que provocó el fin del ciclo.

2.5. Sedimentos y rocas característicos del Criogénico.Lógicamente, la mayoría de los sedimentos y rocas característicos del periodo Criogénico sonde origen glaciar, aunque existen otras formaciones del mismo sin esta procedencia. Lastillitas son rocas sedimentarias formadas por la litificación de tills como consecuencia de suenterramiento, compactación y cementación. Los tills son depósitos de sedimentos muyvariados y desordenados de origen glaciar entre los que destacan arcillas, arenas, gravas ycantos rodados.

Así, estos sedimentos y rocas son los máscomunes de este periodo y, aquellos quese encuentran en zonas que, en la época,se localizaban en el ecuador o cercanas aéste (paleolatitud superior a 60º)sustentan enormemente la teoría de laTierra bola de nieve (W.B.Harland,1984). Se encuentran tills pertenecientesal periodo Criogénico (Figuras 2 y 3),datados entre 900 y 600 Ma, distribuidospor todo el globo exceptuando laAntártida en zonas como Noruega, dondese encuentran los primeros depósitos deeste periodo (depósitos de Varanger),África, Groenlandia, Sudamérica, Europay Australia. Según algunos autores, estosdepósitos posiblemente representancuatro glaciaciones (Anguita, 2002).

La masiva emisión de CO2 efectuada porla intensa actividad volcánica de esteperiodo y el gran aumento de lastemperaturas tras el final de las glaciaciones provocó la formación de grandes depósitos decalizas carbonatadas sobre las tillitas glaciares (en inglés se conocen como “cap-dolostone”)extendidos por todo el globo que marcan el inicio del periodo Ediacárico. A través de ladatación de estos depósitos empleando isótopos radioactivos se confirma que tienen una edadmuy similar, indicio de que tuvo lugar una desglaciación sincrónica y rápida.

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Figura 2. Localización de depósitos de tillitas y BIF's procedentes de la Glaciación de Marinoan. (http://www.snowballearth.org/index.html)

Figura 3. Localización de depósitos de tillitas y BIF's procedentes de la Glaciación de Sturtian. (http://www.snowballearth.org/index.html)

3.Consecuencias:3.1. Consecuencias paleoclimáticas.Durante la fusión de los hielos, los rayosUVA reaccionaron con la superficie delhielo (H2O) produciendo gran cantidadde agua oxigenada (peróxido dehidrógeno), que se descomponeliberando O2 y oxigenizando laatmósfera según la reacción:2H2O2→2H2O+O2. De este modo,aumenta notablemente su concentraciónen la atmósfera hasta alcanzar casi el21% actual (Figura 4).

3.2. Consecuencias para la biosfera: la biota de Ediacara.La biodiversidad de este periodo es difícil de determinar ya que su registro fósil es muyescaso e incompleto. No obstante, las formas de vida presentes antes y después de lasglaciaciones están determinadas: por ejemplo, está claro que ya existían organismoseucariotas antes de las glaciaciones.

Los periodos glaciares del Criogénico tuvieron un doble impacto sobre la biosfera. Por unaparte, provocaron una extinción masiva prácticamente inmediata debido al clima extremo quelos caracterizó y a la disminución del nivel de CO2, lo que redujo la productividad y labiodiversidad de los organismos fotosintéticos, que vino acompañada de un descenso de laconcentración de O2 que provocó la muerte de numerosas formas de vida aerobias. La vidaestuvo cerca de desaparecer. No obstante, existen varias hipótesis para explicar susupervivencia bajo las capas heladas: la vida pudo preservarse en las fuentes hidrotermales(fumarolas negras), en lagos subglaciares o en pequeñas charcas de agua líquida formadascerca de los volcanes debido al calor que éstos emanan. Las formas de vida aerobias pudieronpreservarse de dos maneras: los organismos fotosintéticos pudieron realizar la fotosíntesis enzonas donde la capa de hielo era muy fina o en donde estuviese fragmentada (Hoffman et al.,1998). Ambos ambientes estarían bien oxigenados, permitiendo la supervivencia de losorganismos aerobios.

Por otra, en este periodo aparecen, aproximadamente hace 580Ma, las primeras formas devida pluricelulares complejas de gran tamaño, con morfologías inusuales en la biosfera actual,denominadas fauna o biota de Ediacara (Figura 5). A pesar de su nombre, en realidad no estádeterminado si se trata de formas de vida pertenecientes a la fauna o a la flora (Seilacher,1992). De hecho, este autor llega a proponer que son organismos eucariotas evolucionadosque constituyeron otra rama del árbol de la vida posteriormente extinta.

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Figura 4. Concentración de oxígeno en la atmósfera a lo largo de la Historia de la Tierra. Se observa una gran oxigenación de la atmósfera durante los periodos glaciales del Criogénico. (http://www.snowballearth.org/index.html)

Estos organismos quehabitaban los fondos marinosformarían ecosistemas“ideales” en los que nohabría depredación niorganismos carroñeros,nutriéndose a partir de lafiltración del agua.Posiblemente, la aparición deestos organismos esté ligadaa la Tierra bola de nieve: trasla acusada extincióndesencadenada por las glaciaciones, tuvo lugar un fenómeno de radiación evolutiva que leabrió las puertas a nuevas formas de vida como lo fueron las ediacáricas.

4. Otras evidencias.4.1. Formaciones de hierro bandeadas (BIF's).Las formaciones de hierro bandeadas consisten en la alternancia de láminas milimétricas ocentrimétricas de hierro oxidado y sílex originadas debido a la reacción del hierro y del siliciocon el O2 atmosférico. Cobran sentido dentro de la hipótesis de la Tierra bola de nieve al seruna evidencia de la poca cantidad de O2 presente en los océanos debido a su aislamiento conla atmósfera. Así, en una tierra helada no se oxidaría el hierro, formando bandas no oxidadas.Tras el fin de cada una de las glaciaciones se oxidaría parte del mismo debido al aumento deO2 en la atmósfera, por lo que se formarían bandas oxidadas. La presencia de esta alternanciaentre bandas oxidadas y no oxidadas en estas formaciones cuya antigüedad se correspondecon los periodos glaciares e interglaciares testifica que tuvieron lugar.

4.2. Evidencias basadas en isótopos radioactivos.La datación con isótopos radioactivos, que mejoró mucho en los últimos años, permite datarde manera muy precisa fósiles y sedimentos de numerosos periodos geológicos. Dentro de laTierra bola de nieve, esta herramienta permite datar los sedimentos y fósiles del periodoCriogénico mediante los isótopos δ13C, 87Sr, 86Sr y δ34S estableciendo relaciones entre ellospara determinar, por ejemplo, la duración de las glaciaciones, la evolución de la biodiversidado cómo ocurrió el proceso de fragmentación de rodinia y así poder inferir que efectosambientales tuvo. Cabe destacar que los datos obtenidos en base a esta herramienta apuntan aque fueron dos los episodios glaciares de gran magnitud durante el Criogénico.

El descenso brusco en la concentración del isótopo δ13C en este periodo, que se observa através del análisis de los depósitos carbonatados y de las tillitas (Hoffman et al., 1996),testifica lo próxima que estuvo la vida a su extinción: al disminuir el número de organismosvivos se reduce el consumo de 12C, por lo que la concentración de δ13C se diluye.

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Figura 5. Organismos de la biota de Ediacara. Las barras representan 10cm, por lo que se observa que algunos, como Dickinsonia, de casi un metro de longitud, eran de gran tamaño. (Seilacher, 1992)

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