Los volcanes de Centroamérica ofrecen pistas sobre la evolución geológica de la Tierra

A lo largo millones de años, las capas superiores de la Tierra han protagonizado una danza que ha creado montañas, volcanes, continentes, dorsales y fosas marinas.

Las placas tectónicas tienen un papel fundamental en ese proceso. Esas enormes losas irregulares de corteza terrestre —la superficie de roca sólida donde vivimos los humanos— y la parte superior del manto “flotan” sobre una capa más caliente y dúctil del manto terrestre. Cuando dos placas tectónicas se encuentran a veces una cede y termina hundiéndose poco a poco en las profundidades, en un proceso conocido como subducción.

Si el fenómeno se registra a lo largo de todo el límite de las placas se produce una hilera de volcanes conocida como arco volcánico. Hay, entre otros, arcos volcánicos en los Andes, en Sudamérica; Tonga, en el océano Pacífico Sur; las islas Aleutianas de Alaska; las islas Filipinas y América Central —todos ellos parte del llamado cinturón de fuego del Pacifico—.

El arco centroamericano es relativamente pequeño, con apenas 1.100 kilómetros de longitud. Pero contiene una importante variedad de tipos de magmas, algunos de ellos únicos en el planeta. Es un “paraíso de la geología” que aún esconde secretos dignos de investigación, dice Esteban Gazel, geoquímico de la Universidad de Cornell, en Ithaca, Nueva York. “América Central tiene una rica combinación de condiciones que permiten la comparación de diferentes experimentos naturales en la generación de magmas”, escribió junto a dos coautores en una revisión publicada en el Annual Review of Earth and Planetary Sciences de 2021.

América Central nació en lo que antes era una placa oceánica, como consecuencia de la subducción de las placas tectónicas. Hace unos 150 millones de años comenzó ese lento proceso que permitió que poco a poco surgieran islas volcánicas entre las masas continentales del norte y el sur de América.

Hace unos tres millones de años, la zona que hoy conforman Costa Rica y Panamá finalmente se unió al norte de la actual Sudamérica, creando una sola masa continental desde Alaska hasta Tierra de Fuego.

Esta región es parte del cinturón de fuego del Pacífico, donde son comunes los terremotos y los volcanes. En los últimos 11.000 años, 70 volcanes han estado activos allí. Así como los volcanes han creado tierras fértiles en las que ha prosperado la agricultura y la ganadería, también han llevado al desplazamiento de poblaciones y traído muerte. Por ejemplo, en 1902, tras una serie de terremotos en la región, el volcán Santa María, en Guatemala, registró una de las mayores y más explosivas erupciones del siglo XX. En 1968, el Arenal, en Costa Rica, hizo erupción, dejando 78 fallecidos; y en 2018, una erupción del volcán de Fuego en Guatemala provocó la muerte de más de 100 personas.

Gazel realizó sus primeros estudios como geoquímico en Costa Rica, su país natal. En la siguiente entrevista, editada para lograr más claridad, explica la importancia de estudiar la geología de Centroamérica para comprender mejor la evolución de nuestro planeta.

¿Qué es el arco volcánico centroamericano?

Es un alineamiento de decenas de volcanes —no todos presentando actividad en la actualidad— extendido desde la frontera entre México y el norte de Guatemala hasta el centro de Costa Rica. Entre ellos están el volcán de Fuego y el Tajumulco de Guatemala, el Santa Ana de El Salvador, el Masaya y el Momotombo de Nicaragua, y el Arenal y el Poás de Costa Rica. Este arco es producto de la subducción de la placa del Coco bajo la placa del Caribe. La placa del Coco se produce en una dorsal en el océano Pacífico. Las dorsales son fracturas submarinas por donde emana el magma.

Cuando el magma sale en una dorsal, empuja las placas, se enfría, cristaliza y crea nueva corteza. Cuando la placa se subduce va llena de elementos volátiles, principalmente agua y dióxido de carbono. Aproximadamente a 60 kilómetros de profundidad, esos elementos se vuelven inestables. Por las condiciones de alta presión y temperatura a esas profundidades, los minerales se rompen y los volátiles salen en una forma muy especial: un híbrido entre un líquido y un gas, que se conoce como fluido supercrítico, o fundido. Ese fluido interactúa con el resto de los materiales y fusiona las rocas del manto. Este es el proceso que genera el magma que sale a la superficie en forma de lava.

¿Cuándo comenzó este proceso?

En América Central tenemos historia de vulcanismo desde hace muchos millones de años. El arco ha ido creciendo y evolucionando, creando distintas versiones. Comenzó a formarse hace unos 150 millones de años, en el tiempo de los dinosaurios.

El sistema tectónico se mueve, se acomoda. Por ejemplo, hoy la placa del Coco no tiene el mismo ángulo de subducción en todos los 1.100 kilómetros de longitud del arco centroaméricano, sino que la forma en que ingresa bajo la placa del Caribe —lo que se conoce como el ángulo de entrada— es distinto en diferentes zonas. Eso impacta en la formación del arco.

Por ejemplo, hace unos 20 millones de años, el arco se ubicaba en donde están las llanuras de San Carlos —al norte de lo que hoy es Costa Rica— y hacia el este del actual lago de Nicaragua, y se parecía a las islas Marianas de hoy [un grupo de islas alineadas de norte a sur, cercanas unas de otras y localizadas al sureste de Japón]. El arco continuaba hasta donde en la actualidad se encuentra Chiapas, en México.

Hoy, el arco está más cercano a la costa del Pacífico en el norte de Centroamérica y hacia el centro de Costa Rica. La mayoría de los volcanes que usted ve hoy tienen de 500.000 a 250.000 años. Pero también hay volcanes más jóvenes. El Cerro Negro de Nicaragua es el más joven, es de 1867.

La Tierra evoluciona y va dejando versiones antiguas. Las páginas de la evolución del plantea están escritas en esas rocas.

¿Qué hace que el frente volcánico centroamericano sea único?

Es algo increíble. Las variaciones geoquímicas desde Nicaragua hasta Costa Rica son las más extremas del planeta. En toda Italia se encuentran magmas similares en composición química a los de Costa Rica, pero todos esos volcanes en Italia van a ser muy similares entre sí. En la fosa de las Marianas, en el océano Pacífico occidental, los magmas son muy semejantes a los de Nicaragua, pero todos los volcanes de las Marianas producen magmas muy similares entre sí. Italia y la fosa de las Marianas están separadas por miles de kilómetros, mientras que Costa Rica y Nicaragua presentan diferencias geoquímicas importantes en sus magmas, pese a estar muy cerca.

El extremo de variación en un área tan pequeña hace de Centroamérica el único lugar del planeta con estas características, y por lo tanto, un laboratorio natural único.

¿Por qué existe tanta variación?

La variación regional está controlada por el ángulo de subducción y la composición del material subducido. Las variaciones locales de los volcanes de Centroamérica están controladas por el volumen del volcán. Los volcanes muy grandes presentan más material fundido que viene del manto y es un material con menos variabilidad. En cambio, los volcanes más pequeños tienen mucha más variación geoquímica. Los grandes volúmenes de magma homogenizan la señal y los más pequeños nos muestran más extremos.

América Central también presenta una combinación de corteza oceánica más densa y corteza continental más ligera. ¿Qué significa esto y qué nos enseña?

Es algo muy único de América Central. En la fosa de las Marianas todo el arco se desarrolla en corteza oceánica. En los Andes, en Sudamérica, todo el arco se desarrolla en corteza continental.

En América Central, el arco empieza en corteza continental en Chiapas y Guatemala, y cuando ya entramos a Costa Rica, entramos a corteza oceánica. Todos los magmas de Costa Rica son magmas de arco oceánico que se parecen mucho a los de las Marianas. Así fue hasta hace unos 15 millones de años, cuando las cosas empiezan a cambiar de nuevo, y los magmas en Costa Rica comienzan a parecerse más a corteza continental. Esto nos dice que es una zona muy dinámica.

¿Por qué sucede eso?

Hace 15 millones de años empieza a llegar a lo que hoy es Costa Rica una corteza mucho más joven, que llega con los montes submarinos de las Galápagos ––islas oceánicas sumergidas en el océano Pacífico que un día fueron como lo que hoy son las islas Galápagos de Ecuador—.

Eso es lo que se conoce como un punto caliente: una anomalía térmica que trae material del manto inferior de la Tierra. Estas islas viajan con la placa, se sumergen y eventualmente chocan y entran en la zona de subducción de Costa Rica y Panamá, donde la placa del Coco entra bajo la del Caribe. Esta placa tiene una signatura geoquímica única que se puede trazar hasta los volcanes de Costa Rica y Panamá.

La conclusión de gran parte de mi trabajo, realizado durante años, es que Costa Rica no era corteza continental, pero desde hace unos 15 millones de años se está formando uno de los terrenos de corteza continental más jóvenes de todo el planeta por la fusión de estos montes submarinos en el sistema de subducción. Así que es también un laboratorio natural.

La Isla del Coco [una isla y parque nacional situada en el océano Pacífico, a poco más de 500 kilómetros de la costa costarricense] es parte de una serie de montañas submarinas. Esas montañas están entrando dentro de la zona de subducción y se están fundiendo. Al evolucionar de corteza oceánica a continental, la densidad se redujo y permitió que Costa Rica y Panamá emergieran del mar. Ese proceso en parte produjo el cierre del istmo centroamericano, que finalmente se dio hace unos tres millones de años.

El nacimiento del arco volcánico ayudó a generar sedimentos en la zona y la actividad tectónica elevó la superficie hasta que se produjo un cierre completo.

Entonces, ¿la Isla del Coco se está acercando al territorio continental?

Sí. Y en varios millones de años se va a subducir y luego va a salir de nuevo en un volcán como el Poás o el Irazú, en el actual centro de Costa Rica, donde la signatura de las Galápagos es evidente.

¿Cuáles son las herramientas que usted utiliza para investigar los arcos volcánicos?

Las herramientas principales son las rocas volcánicas, obtenidas después de una erupción, pues su composición química está controlada por estos procesos. Las analizamos por medio de microscopios electrónicos, espectroscopios y espectrometría de masa para inferir su origen, edad y evolución.

¿Cómo ha evolucionado su campo de estudio a lo largo de los años?

Yo empecé a hacer investigación en vulcanología y en geoquímica en el Centro de Investigaciones Nucleares de la Universidad de Costa Rica. Comencé ahí porque la geología y la vulcanología en ese momento eran muy descriptivas. Los investigadores de física nuclear implementaban mediciones más cuantitativas. Cuando inicié mi carrera en Estados Unidos mi ciencia evolucionó a ser mucho más numérica y menos descriptiva.

En la última década, y en especial en los últimos cinco años, como comunidad, nos hemos movido a una vulcanología que es increíblemente precisa y cuantitativa. Eso solo va a continuar expandiéndose.

Ya estamos en un punto en que para ser un geólogo moderno hay que saber de equipo de geoquímica, de programación, de estadística. Ahora hay machine learning e inteligencia artificial, y todas esas herramientas se están utilizando junto con los datos de campo y laboratorio.

Geológicamente, ¿qué le espera a esta región en el futuro?

Lo que debemos entender es que en Centroamérica vivimos en una zona tectónica y volcánicamente activa. La prevención y la buena construcción realmente hacen una diferencia muy significativa para salvar vidas ante erupciones y terremotos. Porque los volcanes van a seguir haciendo erupción y los terremotos van a seguir pasando. Es el proceso natural de evolución.

¿Qué nuevos estudios se estarán desarrollando en la región?

En enero de 2024, un grupo con profesionales de distintas partes del mundo irá al volcán Poás de Costa Rica para probar nuevas tecnologías enfocadas en estudiar los procesos volcánicos. El objetivo es, algún día, tener una mejor idea de cómo pronosticar una erupción volcánica. La persona que lo organiza desde Estados Unidos fue mi mentora del post doctorado. A mi laboratorio la Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos le acaba de financiar el estudio de las erupciones plinianas de composición máfica. Las erupciones plinianas son las de más alta magnitud, como la del Vesubio que destruyó Pompeya, pero generalmente son félsicas, es decir que son altas en sílice. Sin embargo, hay un grupo de erupciones máficas que son altas en magnesio y hierro que también tienen esa magnitud. En América Central el volcán Masaya de Nicaragua tiene un récord de una de estas erupciones.

¿Cómo puede Centroamérica contribuir a la compresión del proceso de formación de la Tierra en general?

Si queremos entender cómo se formaron los continentes, al comienzo de la evolución de la Tierra, uno de los mejores lugares para trabajar es América Central.

Si queremos estudiar el proceso de subducción, cómo se inicia y cómo va cambiando la composición de los continentes, tenemos esa historia en América Central.

Si queremos estudiar muestras de materiales que viajaron al interior de la Tierra, que “visitaron” el manto en una zona de subducción y subieron de nuevo, están expuestos en Guatemala.

Si queremos conocer cuáles son los mecanismos que dan inicio a las erupciones de muy alta intensidad, tenemos un récord de erupciones en Nicaragua y en Costa Rica.

Así que América Central ya es un laboratorio natural, y va a seguir siendo un lugar donde se pueden estudiar muchos procesos geológicos. Un ejemplo adicional, donde Costa Rica tiene algo muy único: la corteza oceánica expuesta en la península de Nicoya y el manto terreste expuesto en la península de Santa Elena. En Santa Elena tenemos el manto terrestre expuesto y se observan rocas, conocidas como peridotitas, las cuales se formaron a profundidades de entre 50 y 70 kilómetros y fueron llevadas a la superficie por la actividad tectónica.

Eso es increíblemente único, y son secciones muy interesantes que han sido el foco de muchas investigaciones durante varios años y han permitido entender mejor la estructura, composición e historia del manto.

América Central seguirá siendo estudiada por su diversidad, como un paraíso de la geología.

Este reportaje forma parte de la serie de Knowable en español sobre ciencia que afecta a o que es realizada por latinos en Estados Unidos, apoyada por el Grupo de Ciencia y Medios Educativos del HHMI.