La Terra di oggi è un pianeta dinamico con uno strato esterno composto da placche giganti che si frantumano insieme, scivolando oltre o immergendosi l'uno sotto l'altro, dando origine a terremoti e vulcani. Altri si separano sulle creste montuose sottomarine, dove la roccia fusa si estende dai centri dei principali bacini oceanici.

Ma una nuova ricerca suggerisce che non è sempre stato così. Anziché, poco dopo che la Terra si formò e iniziò a raffreddarsi, il primo strato esterno del pianeta era un singolo, guscio solido ma deformabile. Dopo, questo guscio cominciò a piegarsi e rompersi più ampiamente, dando origine alla moderna tettonica a zolle.

La ricerca, descritto in un articolo pubblicato il 27 febbraio, 2017 sulla rivista Natura , è l'ultima salva in un dibattito di lunga data nella comunità di ricerca geologica:la tettonica a zolle è iniziata subito - una teoria nota come uniformitarismo - o la Terra ha attraversato prima una lunga fase con un guscio solido che copre l'intero pianeta? I nuovi risultati suggeriscono che il modello a guscio solido è il più vicino a ciò che è realmente accaduto.

"I modelli di come si è formata la prima crosta continentale generalmente si dividono in due gruppi:quelli che invocano la tettonica a zolle in stile moderno e quelli che non lo fanno, " ha detto Michael Brown, un professore di geologia presso l'Università del Maryland e coautore dello studio. "La nostra ricerca supporta quest'ultimo:un 'coperchio stagnante' che forma il guscio esterno del pianeta all'inizio della storia della Terra".

Per giungere a queste conclusioni, Brown e i suoi colleghi della Curtin University e del Geological Survey of Western Australia hanno studiato le rocce raccolte dalla East Pilbara Terrane, una vasta area di antica crosta granitica situata nello stato dell'Australia occidentale. Le rocce qui sono tra le più antiche conosciute, che vanno da 3,5 a circa 2,5 miliardi di anni. (La Terra ha circa 4,5 miliardi di anni.) I ricercatori hanno selezionato specificamente graniti con una composizione chimica solitamente associata agli archi vulcanici, un segno rivelatore dell'attività tettonica delle placche.

Brown e i suoi colleghi hanno anche esaminato le rocce basaltiche della formazione Coucal associata. Il basalto è la roccia prodotta dall'eruzione dei vulcani, ma forma anche il fondo dell'oceano, mentre il basalto fuso erutta su creste allargate al centro dei bacini oceanici. Nella moderna tettonica a placche, quando il basalto dei fondali oceanici raggiunge i continenti, si immerge - o subduce - sotto la superficie terrestre, dove genera fluidi che consentono al mantello sovrastante di fondersi e creare infine grandi masse di granito sotto la superficie.

Precedenti ricerche hanno suggerito che i basalti Coucal potrebbero essere le rocce di origine per i graniti nel Pilbara Terrane, a causa delle somiglianze nella loro composizione chimica. Brown e i suoi collaboratori si sono proposti di verificarlo, ma anche per testare un'altra ipotesi di vecchia data:i basalti di Coucal potrebbero essersi fusi per formare il granito in qualche modo diverso dalla subduzione del basalto sotto la superficie terrestre? Se è così, forse la tettonica a zolle non era ancora in corso quando si formarono i graniti di Pilbara.

Per rispondere a questa domanda, i ricercatori hanno eseguito calcoli termodinamici per determinare gli equilibri di fase del basalto di Coucal medio. Gli equilibri di fase sono descrizioni precise di come una sostanza si comporta in varie condizioni di temperatura e pressione, compresa la temperatura alla quale inizia la fusione, la quantità di fuso prodotto e la sua composizione chimica.

Per esempio, uno dei più semplici diagrammi di equilibrio di fase descrive il comportamento dell'acqua:a basse temperature e/o alte pressioni, l'acqua forma il ghiaccio solido, mentre ad alte temperature e/o basse pressioni, l'acqua forma vapore gassoso. Gli equilibri di fase sono un po' più coinvolti con le rocce, che hanno composizioni chimiche complesse che possono assumere combinazioni minerali e caratteristiche fisiche molto diverse in base alla temperatura e alla pressione.

"Se prendi un sasso dallo scaffale e lo sciogli, puoi ottenere un diagramma di fase. Ma sei bloccato con una composizione chimica fissa, " Brown ha detto. "Con la modellazione termodinamica, puoi cambiare la composizione, pressione e temperatura indipendentemente. È molto più flessibile e ci aiuta a rispondere ad alcune domande che non possiamo affrontare con gli esperimenti sulle rocce".

Partendo dai basalti di Coucal e dai graniti di Pilbara, Brown e i suoi colleghi hanno costruito una serie di esperimenti di modellazione per riflettere ciò che potrebbe essere accaduto in un'antica Terra senza tettonica a zolle. I loro risultati suggeriscono che, infatti, i graniti di Pilbara potrebbero essersi formati dai basalti di Coucal.

Più precisamente, questa trasformazione potrebbe essersi verificata in uno scenario di pressione e temperatura coerente con un "coperchio stagnante, "o un singolo guscio che copre l'intero pianeta.

La tettonica a zolle influenza sostanzialmente la temperatura e la pressione delle rocce all'interno della Terra. Quando una lastra di roccia subduce sotto la superficie terrestre, la roccia inizia relativamente fresca e impiega tempo per prendere calore. Quando raggiunge una temperatura più alta, la roccia ha raggiunto anche una profondità significativa, che corrisponde all'alta pressione, allo stesso modo in cui un subacqueo sperimenta una pressione più elevata a una maggiore profondità dell'acqua.

In contrasto, un regime di "coperchio stagnante" sarebbe molto caldo a profondità relativamente basse e a basse pressioni. I geologi si riferiscono a questo come a un "alto gradiente termico".

"I nostri risultati suggeriscono che i graniti Pilbara sono stati prodotti dalla fusione dei basalti Coucal o materiali simili in un ambiente ad alto gradiente termico, "Ha detto Brown. "Inoltre, la composizione dei basalti Coucal indica che essi, pure, proveniva da una precedente generazione di rocce di origine. Concludiamo che un processo a più stadi ha prodotto i primi continenti della Terra in uno scenario di "coperchio stagnante" prima che iniziasse la tettonica a placche".

"I primi continenti stabili della Terra non si sono formati per subduzione, "Tim Johnson, Michele Marrone, Nicholas Gardiner, Christopher Kirkland e Hugh Smithies, è stato pubblicato il 27 febbraio 2017 sulla rivista Natura .