Vengono mostrate le nuvole sopra l'Australia. Credito:NASA
I geofisici dell'Earth-Life Science Institute (ELSI) del Tokyo Institute of Technology riferiscono in Geoscienze naturali un nuovo modello per l'esistenza di un sistema di nastri trasportatori del mantello profondo che potrebbe aver operato all'interno della Terra sin dalla sua formazione circa 4,5 miliardi di anni fa.
La maggior parte dei terremoti, vulcani, costruzione di montagna, diffusione del fondale marino, e altre importanti attività geologiche sulla Terra sono guidate dalla cosiddetta tettonica a zolle, dove ampie sezioni della crosta terrestre si muovono come blocchi coerenti, o placche, che si schiantano insieme, smontare, scivolare uno sopra l'altro, e passano l'un l'altro ai loro confini. Sotto le placche si trova il mantello roccioso spesso 3000 km, composto da roccia calda e flessibile che lentamente si deforma e rimescola sotto le immense pressioni e temperature dell'interno profondo. Questo movimento agitato, o convezione del mantello, agisce per rimuovere il calore dall'interno della Terra, simile alla circolazione in una pentola di stufato che bolle lentamente. La convezione del mantello alla fine guida il movimento delle placche tettoniche. A sua volta, i piatti scuotono anche il mantello, dove sono subdotti a causa dello scorrimento uno sopra l'altro, e sprofondare attraverso il mantello a grandi profondità.
Gli scienziati si sono a lungo chiesti se il mantello terrestre sia ben mescolato da questa agitazione e dai moti convettivi (convezione del mantello), oppure se la parte inferiore del mantello è di composizione diversa dalla parte superiore. Che alcune placche sono subdotte alla base stessa del mantello, percorrendo 3000 km in circa 200 milioni di anni, è stato tradizionalmente preso come prova di uno stufato di mantello ben mescolato e misto.
Lo stufato di mantello terrestre mal mescolato
In questa ricerca, gli scienziati hanno adottato un nuovo approccio valutando se la composizione chimica delle rocce del mantello influisce sul movimento convettivo agitato. Alcune rocce si deformano e scorrono più facilmente di altre, comportandosi come l'acqua rispetto a liquidi ad alta viscosità come il miele. Per esempio, versando acqua in una pentola di stufato, l'acqua si mescola allo stufato anche senza mescolare molto. Inutile dire, ci vorrebbe molto più tempo per mescolare il miele con lo stufato. In particolare, se gli gnocchi vengono messi nello stufato, quindi entrambi i componenti non si mescoleranno mai. Anche se gli gnocchi sono generalmente deformabili; lo stufato bollente scorre appena intorno agli gnocchi perché è molto più deformabile, o meno viscoso, rispetto agli gnocchi.
Ora, nella terra, le rocce del mantello inferiore si comportano più come uno stufato che come gnocchi (o più come acqua che come miele) a seconda della loro composizione chimica. Se le rocce del mantello inferiore sono relativamente ricche di silice (o SiO2, che è anche il principale componente della sabbia), sono più viscosi e si comportano più come gnocchi rispetto alle rocce impoverite di silice, che sono più deboli e si comportano più come lo stufato stesso. Questo è interessante perché molti meteoriti che sono considerati i mattoni della Terra hanno un contenuto di silice più elevato rispetto alle rocce nella parte superiore del mantello terrestre. Per compensare l'esaurimento della silice nella maggior parte delle rocce del mantello che sono state sondate, almeno alcune rocce nel mantello inferiore dovrebbero essere relativamente ricche di silice. Così, il mantello terrestre potrebbe essere un po' come un ben misto, stufato impoverito di silice con alcuni gnocchi poco mescolati ricchi di silice vicino alla sua base.
Per studiare il movimento di zangolatura dello stufato del mantello, Maxim Ballmer e i suoi colleghi di ELSI hanno aggiunto un forte strato ricco di silice nelle simulazioni numeriche della convezione del mantello. Hanno scoperto che, dopo un forte ribaltamento della stratificazione inizialmente imposta, il mantello si organizzò in grandi celle di convezione simili a rulli, dove deboli rocce impoverite di silice riempiono il mantello superiore e circolano attorno a forti blocchi ricchi di silice nel mantello inferiore lungo un gigantesco nastro trasportatore (Fig.1).
Fig. 1. Convezione del mantello con miscelazione inefficiente. Le rocce povere di silice (verde) circolano attorno a domini coerenti di antiche rocce ricche di silice (grigio). Credito:Istituto di tecnologia di Tokyo
Blocchi giganti di antiche rocce nascoste sotto l'Africa e il Pacifico?
Nelle simulazioni, questo modello di agitazione convettiva è rimasto stabile per molti miliardi di anni, e più lungo dell'età della Terra. I forti blocchi ricchi di silice nel mantello inferiore hanno probabilmente più di 1000 km di diametro e 10, migliaia di km di lunghezza, costituiscono circa il 15% della massa del mantello. Ballmer e i suoi colleghi pensano di essere nascosti molto al di sotto dell'Africa e del Pacifico, a forma di salsicce giganti o ciambelle.
L'esistenza di domini così forti può spiegare perché alcune delle placche subdotte non sprofondano verso la base del mantello, ma piuttosto stagno a profondità intermedie, dove incontrano le salsicce forti o le ciambelle. La stabilità a lungo termine di questi domini può ulteriormente spiegare la diversità geochimica delle lave profonde sulla superficie terrestre. Mentre alcune lave sono legate alla fusione di rocce del mantello che sono state riciclate dalla crosta vicina alla superficie e circolate attraverso il mantello, altri tracciano tracce di antichi domini che hanno evitato la circolazione e il riciclaggio fin dai primi giorni del nostro pianeta.
La sopravvivenza di antiche rocce nel mantello convettivo è stata un enigma di lunga data per molti scienziati, ma può ora essere risolto come conseguenza di una miscelazione inefficiente tra le forti rocce arricchite di silice e il mantello impoverito di silice molto più debole.
