Il mantello terrestre è costituito da roccia solida che tuttavia circola lentamente per milioni di anni. Alcuni geologi presumono che questa lenta circolazione avrebbe spazzato via ogni traccia geochimica della storia antica della Terra molto tempo fa. Ma un nuovo studio condotto dai geologi dell'Università del Maryland ha trovato nuove prove che potrebbero risalire a più di 4,5 miliardi di anni.

Gli autori del documento di ricerca, pubblicato il 7 aprile sulla rivista Scienza , ha studiato rocce vulcaniche eruttate di recente dai vulcani delle Hawaii e delle Samoa. Le rocce contengono sorprendenti anomalie geochimiche, le "impronte digitali" di condizioni che esistevano poco dopo la formazione del pianeta.

I ricercatori non sono ancora sicuri di come il mantello terrestre abbia preservato queste anomalie. Ma i risultati del gruppo suggeriscono che alcune di queste rocce contengono materiale che è sopravvissuto per tutta la storia della Terra e che l'interno del pianeta potrebbe non essere ben mescolato, dopotutto.

"Abbiamo trovato firme geochimiche che devono essere state create quasi 4,5 miliardi di anni fa, " ha detto Andrea Mundl, un ricercatore post-dottorato in geologia presso l'UMD e l'autore principale dello studio. "È stato particolarmente emozionante trovare queste anomalie in rocce così giovani. Non sappiamo ancora come queste firme siano sopravvissute così a lungo, ma abbiamo qualche idea".

Le firme anomale si trovano nei rapporti degli isotopi chiave di due elementi:tungsteno ed elio.

Nel caso del tungsteno, che ha molti isotopi, il rapporto importante è tungsteno-182 e tungsteno-184. L'isotopo più pesante, tungsteno-184, è stabile ed esiste da quando il pianeta si è formato per la prima volta. tungsteno-182, d'altra parte, risulta dal decadimento dell'afnio-182, che è altamente instabile. Tutto l'afnio-182 presente in natura è decaduto entro i primi 50 milioni di anni della storia della Terra, lasciando il tungsteno-182 al suo posto.

Il tungsteno e l'afnio si sono comportati in modo molto diverso durante i primi 50 milioni di anni del pianeta. Il tungsteno tende ad associarsi ai metalli, quindi la maggior parte di essa migrò al centro della Terra, mentre l'afnio, che tende ad associarsi ai minerali silicati, rimase nel mantello e nella crosta terrestre. La maggior parte delle rocce sulla Terra ha un rapporto simile tra tungsteno-182 e tungsteno-184, e questo rapporto serve come base di riferimento globale. I geologi possono imparare molto dalle rocce con una quantità insolitamente alta o bassa di tungsteno-182, che indica quanto afnio-182 era presente nella roccia molto tempo fa.

"Quasi tutte queste anomalie si sono formate nei primi 50 milioni di anni dopo la formazione del sistema solare, Mundl ha detto. Ma livelli più bassi di tungsteno-182 sono rari, e somigliano a ciò che potremmo aspettarci di vedere in profondità sotto la superficie, dentro o vicino al nucleo metallico del pianeta."

Abbastanza sicuro, Mundl e i suoi colleghi hanno osservato una quantità insolitamente bassa di tungsteno-182 in alcune delle rocce delle Hawaii e delle Samoa. Da solo, il rapporto isotopico di tungsteno è interessante, ma non abbastanza per trarre conclusioni convincenti. Ma i ricercatori hanno anche osservato che le stesse rocce contengono un insolito rapporto di isotopi di elio.

L'elio-3 è estremamente raro sulla Terra, e tende a presentarsi in campioni di roccia che non sono stati fusi o riciclati in altro modo dalla prima formazione del pianeta. Elio-4, d'altra parte, possono formarsi dal decadimento radioattivo dell'uranio e del torio. Un rapporto tra elio-3 ed elio-4 superiore al normale indica tipicamente rocce molto antiche che non sono state alterate in modo significativo da quando si è formato il pianeta.

"Le variazioni nella composizione isotopica dell'elio sono note da tempo, ma non sono mai stati correlati con altri parametri geochimici, " ha detto Richard Walker, professore e presidente del dipartimento di geologia presso l'UMD e coautore dell'articolo. "È stato comunemente ipotizzato che le rocce con elevati rapporti di elio-3 ed elio-4 contengano materiale del mantello 'primitivo', ma non si sapeva quanto fosse primitivo. I nostri dati sul tungsteno mostrano che è davvero molto primitivo, con la regione di origine che molto probabilmente si è formata entro i primi 50 milioni di anni di storia del sistema solare".

Mundl, Walker e i loro coautori suggeriscono alcuni scenari diversi che potrebbero aver prodotto le anomalie del tungsteno e dell'elio che hanno osservato nelle rocce vulcaniche delle Hawaii e delle Samoa. Forse i vulcani stanno attingendo materiale dal nucleo della Terra, dove ci si aspetta che i rapporti favoriscano un basso tungsteno-182 e un alto elio-3.

In alternativa, la superficie rocciosa esterna della Terra potrebbe essersi formata a chiazze, con vasti oceani di magma in mezzo. Parti di questi oceani di magma potrebbero essersi cristallizzate e sprofondate al confine tra il mantello e il nucleo, preservando le antiche firme di tungsteno ed elio.

"Ognuno di questi scenari contiene alcune incongruenze che non possiamo ancora spiegare, " ha detto Mundl. "Ma questo è un risultato entusiasmante che sicuramente genererà molte nuove domande di ricerca interessanti".