Ciascuna delle minuscole rocce in questa montatura circolare è circa la metà di un campione di mantello sintetico - dopo che è stato riscaldato e frantumato nell'apparato pistone-cilindro, poi tagliato aperto e lucidato. Sarafian mette i suoi campioni in questa montatura per analizzarli per il loro contenuto di acqua utilizzando la spettrometria di massa di ioni secondari (SIMS). Credito:foto di Jayne Doucette, Istituto oceanografico di Woods Hole
La temperatura dell'interno della Terra influenza tutto, dal movimento delle placche tettoniche alla formazione del pianeta.
Un nuovo studio condotto dalla Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) suggerisce il mantello, il più solido, parte rocciosa dell'interno della Terra che si trova tra il suo nucleo surriscaldato e il suo strato crostale esterno, potrebbe essere più calda di quanto si credesse in precedenza. Il nuovo ritrovamento, pubblicato il 3 marzo sulla rivista Scienza , potrebbe cambiare il modo in cui gli scienziati pensano a molti problemi delle scienze della Terra, incluso il modo in cui si formano i bacini oceanici.
"Sulle dorsali oceaniche, le placche tettoniche che formano il fondale marino si sono progressivamente allargate, " ha detto l'autore principale dello studio Emily Sarafian, uno studente laureato nel Joint Program MIT-WHOI. "La roccia dal mantello superiore sale lentamente a riempire il vuoto tra le placche, sciogliendosi al diminuire della pressione, poi si raffredda e si risolidifica per formare nuova crosta lungo il fondo dell'oceano. Volevamo essere in grado di modellare questo processo, quindi avevamo bisogno di conoscere la temperatura alla quale la roccia del mantello in aumento inizia a sciogliersi".
Ma determinare quella temperatura non è facile. Poiché non è possibile misurare direttamente la temperatura del mantello, i geologi devono stimarlo attraverso esperimenti di laboratorio che simulano le alte pressioni e temperature all'interno della Terra.
L'acqua è un componente critico dell'equazione:più acqua (o idrogeno) nella roccia, più bassa è la temperatura alla quale si scioglierà. La roccia di peridotite che costituisce il mantello superiore è nota per contenere una piccola quantità di acqua. "Ma non sappiamo nello specifico come l'aggiunta di acqua modifichi questo punto di fusione, " disse il consigliere di Sarafian, Il geochimico dell'OMS Glenn Gaetani. "Quindi c'è ancora molta incertezza".
Immagine di uno degli esperimenti di mimetismo di laboratorio del team, che è stato condotto in una capsula in lega di oro-palladio. I riquadri neri evidenziano le posizioni dei grani di olivina, e le fosse scure nelle olivine sono misurazioni reali per il contenuto di acqua dell'olivina. La peridotite è la matrice a grana super fine. Credito:Emily Sarafian.
Per capire come il contenuto d'acqua della roccia del mantello influenzi il suo punto di fusione, Sarafian ha condotto una serie di esperimenti di laboratorio utilizzando un apparato cilindro-pistone, una macchina che utilizza corrente elettrica, piastre di metalli pesanti, e pile di pistoni per amplificare la forza per ricreare le alte temperature e pressioni che si trovano nelle profondità della Terra. Seguendo la metodologia sperimentale standard, Sarafian ha creato un campione di mantello sintetico. Ha usato un noto, composizione minerale standardizzata e asciugata in forno per rimuovere quanta più acqua possibile.
Fino ad ora, in esperimenti come questi, gli scienziati che studiano la composizione delle rocce hanno dovuto presumere che il loro materiale di partenza fosse completamente asciutto, perché i grani minerali con cui stanno lavorando sono troppo piccoli per essere analizzati per l'acqua. Dopo aver eseguito i loro esperimenti, correggono il loro punto di fusione determinato sperimentalmente per tenere conto della quantità di acqua nota per essere nella roccia del mantello.
"Il problema è, le materie prime sono polveri, e assorbono l'acqua atmosferica, " disse Sarafian. "Allora, se hai aggiunto acqua o no, c'è acqua nel tuo esperimento."
Sarafian ha adottato un approccio diverso. Ha modificato il suo campione di partenza aggiungendo sfere di un minerale chiamato olivina, che si trova naturalmente nel mantello. Le sfere erano ancora minuscole, circa 300 micrometri di diametro, o la dimensione dei granelli di sabbia fine, ma erano abbastanza grandi da consentire a Sarafian di analizzare il loro contenuto di acqua utilizzando la spettrometria di massa di ioni secondari (SIMS). Da li, è stata in grado di calcolare il contenuto di acqua del suo intero campione di partenza. Con sua sorpresa, scoprì che conteneva approssimativamente la stessa quantità di acqua nota per essere nel mantello.
Sulla base dei suoi risultati, Sarafian concluse che lo scioglimento del mantello doveva iniziare a una profondità inferiore rispetto a quanto previsto in precedenza.
Nei suoi esperimenti di laboratorio, Sarafian ha usato un apparato cilindro-pistone - la macchina rossa dietro di lei - per simulare le alte pressioni e la temperatura del mantello terrestre. Le pesanti lastre di acciaio inossidabile visibili sul tavolo sono impilate sull'apparecchio, con il minuscolo campione di mantello sintetico all'interno di un "recipiente a pressione" sotto di loro. Una volta accesa la macchina, i pistoni applicano una pressione massiccia dall'alto e dal basso del campione, che viene contemporaneamente riscaldato dalla corrente elettrica. Credito:foto di Veronique LaCapra, Istituto oceanografico di Woods Hole
Per verificare i suoi risultati, Sarafian ha trasformato la magnetotellurica, una tecnica che analizza la conduttività elettrica della crosta e del mantello sotto il fondo marino. La roccia fusa conduce l'elettricità molto più della roccia solida, e utilizzando dati magnetotellurici, i geofisici possono produrre un'immagine che mostra dove si sta verificando la fusione nel mantello.
Ma un'analisi magnetotellurica pubblicata su Natura nel 2013 dai ricercatori della Scripps Institution of Oceanography di San Diego hanno mostrato che la roccia del mantello si stava sciogliendo a una profondità più profonda sotto il fondo del mare di quanto suggerito dai dati sperimentali di Sarafian.
All'inizio, I risultati sperimentali di Sarafian e le osservazioni magnetotelluriche sembravano in conflitto, ma sapeva che entrambi dovevano essere corretti. Riconciliando le temperature e le pressioni misurate da Sarafian nei suoi esperimenti con la profondità di fusione dello studio Scripps, è arrivata a una conclusione sorprendente:il mantello superiore oceanico deve essere più caldo di 60 ° C (~ 110 ° F) rispetto alle stime attuali, "disse Sarafian.
Un aumento di 60 gradi potrebbe non sembrare molto rispetto a una temperatura del mantello fuso superiore a 1, 400°C. Ma Sarafian e Gaetani dicono che il risultato è significativo. Per esempio, un mantello più caldo sarebbe più fluido, aiutando a spiegare il movimento delle placche tettoniche rigide.
