La tettonica a placche ha modellato la superficie terrestre per miliardi di anni:i continenti e la crosta oceanica si sono spinti e tirati l'uno sull'altro, riordinando continuamente la facciata del pianeta. Quando due enormi placche si scontrano, uno può cedere e scivolare sotto l'altro in un processo chiamato subduzione. La lastra subdotta poi scivola giù attraverso il mantello viscoso della Terra, come una pietra piatta attraverso uno stagno di miele.

Per la maggior parte, le lastre di subduzione di oggi possono affondare solo fino a questo punto, a circa 670 chilometri sotto la superficie, prima che il trucco del mantello diventi una consistenza simile al miele, a quella della pasta, troppo densa perché la maggior parte delle lastre penetri ulteriormente. Gli scienziati hanno sospettato che questo filtro di densità sia esistito nel mantello per la maggior parte della storia della Terra.

Ora, però, i geologi del MIT hanno scoperto che questo limite di densità era molto meno pronunciato nell'antico mantello terrestre, 3 miliardi di anni fa. In un articolo pubblicato su Lettere di Scienze della Terra e dei Pianeti , i ricercatori notano che l'antica Terra ospitava un mantello che era fino a 200 gradi Celsius più caldo di quanto non lo sia oggi, temperature che potrebbero essere state prodotte in modo più uniforme, materiale meno denso in tutto lo strato del mantello.

I ricercatori hanno anche scoperto che, rispetto al materiale roccioso odierno, l'antica crosta era composta di roba molto più densa, arricchito in ferro e magnesio. La combinazione di un mantello più caldo e rocce più dense probabilmente ha causato l'affondamento delle placche subduttive fino al fondo del mantello, 2, 800 chilometri sotto la superficie, formando un "cimitero" di lastre in cima al nucleo terrestre.

I loro risultati dipingono un quadro della subduzione molto diverso da quello che si verifica oggi, e suggerisce che l'antico mantello terrestre fosse molto più efficiente nell'attrarre pezzi della crosta del pianeta.

"Troviamo che circa 3 miliardi di anni fa, lastre subdotte sarebbero rimaste più dense del mantello circostante, anche nella zona di cambio, e non c'è motivo dal punto di vista della galleggiabilità per cui le lastre dovrebbero rimanere bloccate lì. Anziché, dovrebbero sempre affondare, che è un caso molto meno comune oggi, ", afferma l'autore principale Benjamin Klein, uno studente laureato presso il Dipartimento della Terra del MIT, Scienze atmosferiche e planetarie (EAPS). "Questo sembra suggerire che ci sia stato un grande cambiamento nella storia della Terra in termini di come sarebbero avvenuti la convezione del mantello e i processi tettonici a zolle".

I coautori di Klein sono Oliver Jagoutz, professore associato in EAPS, e Mark Behn della Woods Hole Oceanographic Institution.

Differenza di temperatura

"C'è questa domanda aperta su quando la tettonica a zolle è davvero iniziata nella storia della Terra, " dice Klein. "C'è un consenso generale sul fatto che probabilmente stava andando indietro di almeno 3 miliardi di anni fa. Questo è anche il momento in cui la maggior parte dei modelli suggerisce che la Terra fosse più calda".

Circa 3 miliardi di anni fa, il mantello era probabilmente circa 150-200 C più caldo di quanto lo sia oggi. Klein, Jagoutz, e Behn hanno studiato se le temperature più calde all'interno della Terra hanno fatto la differenza nel modo in cui le placche tettoniche, una volta sottratto, sono stati trasportati attraverso il mantello.

"Il nostro lavoro è iniziato come questo esperimento mentale per dire, se sappiamo che le temperature erano molto più calde, come avrebbe potuto modulare l'aspetto della tettonica, senza cambiarlo all'ingrosso?" dice Klein. "Perché il dibattito prima era questo argomento binario:o c'era la tettonica a zolle, o non c'era, e stiamo suggerendo che c'è più spazio nel mezzo".

Un "capovolgimento di densità"

Il team ha effettuato la sua analisi, ipotizzando che la tettonica a zolle stesse effettivamente modellando la superficie terrestre 3 miliardi di anni fa. Hanno cercato di confrontare la densità delle lastre in subduzione in quel momento con la densità del mantello circostante, la cui differenza determinerebbe fino a che punto sarebbero affondate le lastre.

Per stimare la densità delle lastre antiche, Klein ha compilato un ampio set di dati di più di 1, 400 campioni precedentemente analizzati sia di rocce moderne che di komatiiti, tipi di roccia classici che esistevano circa 3 miliardi di anni fa ma non sono più prodotti oggi. Queste rocce contengono una quantità maggiore di ferro denso e magnesio rispetto alla crosta oceanica di oggi. Klein ha utilizzato la composizione di ciascun campione di roccia per calcolare la densità di una tipica lastra in subduzione, sia per i giorni moderni che per 3 miliardi di anni fa.

Ha quindi stimato la temperatura media di una lastra in subduzione moderna rispetto a un'antica, rispetto alla temperatura del mantello circostante. Ha ragionato che la distanza di affondamento di una lastra dipende non solo dalla sua densità ma anche dalla sua temperatura rispetto al mantello:più un oggetto è freddo rispetto a ciò che lo circonda, più velocemente e più lontano dovrebbe affondare.

Il team ha utilizzato un modello termodinamico per determinare il profilo di densità di ciascuna lastra in subduzione, o come cambia la sua densità mentre sprofonda attraverso il mantello, data la temperatura del mantello, che hanno preso dalle stime di altri e da un modello della temperatura della lastra. Da questi calcoli, determinarono la profondità alla quale ogni lastra sarebbe diventata meno densa del mantello circostante.

A questo punto, hanno ipotizzato che dovrebbe verificarsi un "capovolgimento di densità", tale che una lastra non dovrebbe essere in grado di affondare oltre questo confine.

"Sembra esserci questo filtro critico e controllo sul movimento delle lastre e quindi sulla convezione del mantello, " dice Klein.

Un ultimo luogo di riposo

Il team ha scoperto che le loro stime su dove si verifica questo confine nel mantello moderno, a circa 670 chilometri sotto la superficie, concordavano con le misurazioni effettive prese oggi in questa zona di transizione, confermando che il loro metodo può anche stimare con precisione l'antica Terra.

"Oggi, quando le lastre entrano nel mantello, sono più densi del mantello ambientale nel mantello superiore e inferiore, ma in questa zona di transizione, le densità si ribaltano, " dice Klein. "Quindi all'interno di questo piccolo strato, le lastre sono meno dense del mantello, e sono felice di restare lì, quasi fluttuante e stagnante."

Per l'antica Terra, 3 miliardi di anni fa, i ricercatori hanno scoperto che, perché l'antico mantello era molto più caldo di oggi, e le lastre molto più dense, un'inversione di densità non si sarebbe verificata. Anziché, lastre in subduzione sarebbero sprofondate direttamente sul fondo del mantello, stabilendo il loro ultimo luogo di riposo appena sopra il centro della Terra.

Jagoutz afferma che i risultati suggeriscono che tra 3 miliardi di anni fa e oggi, mentre l'interno della Terra si raffreddava, il mantello è passato da un sistema di convezione a uno strato, in cui le lastre scorrevano liberamente dagli strati superiori a quelli inferiori del mantello, a una configurazione a due strati, dove le lastre facevano fatica a penetrare fino al mantello inferiore.

"Questo dimostra che quando un pianeta inizia a raffreddarsi, questo confine, anche se è sempre lì, diventa un filtro di densità significativamente più profondo, " dice Jagoutz. "Non sappiamo cosa accadrà in futuro, ma in teoria è possibile che la Terra passi da un regime dominante di convezione a uno strato, a due. E questo fa parte dell'evoluzione dell'intera Terra".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.