Una nuova ricerca dei geochimici della Brown University fornisce nuove intuizioni sulla scala alla quale il mantello terrestre varia nella composizione chimica. I risultati potrebbero aiutare gli scienziati a comprendere meglio il processo di miscelazione della convezione del mantello, la lenta agitazione che guida il movimento delle placche tettoniche della Terra.

"Sappiamo che il mantello è eterogeneo nella composizione, ma è stato difficile capire quanto grandi o piccole potessero essere queste eterogeneità, " ha detto Boda Liu, un dottorato di ricerca studente di geologia alla Brown. "Ciò che mostriamo qui è che devono esserci eterogeneità di almeno un chilometro per produrre la firma chimica che osserviamo nelle rocce derivate dai materiali del mantello".

La ricerca, che Liu ha scritto insieme a Yan Liang, un professore nel Dipartimento di Scienze Ambientali e Planetarie della Terra di Brown, è pubblicato in Progressi scientifici .

La crosta terrestre si trova su un nastro trasportatore in costante movimento guidato dal mantello convettivo. Sulle dorsali oceaniche, i confini sul fondo dell'oceano dove le placche tettoniche si allontanano l'una dall'altra, nuova crosta è creata dall'eruzione di magmi formati dalla risalita dei materiali del mantello dalla profondità. Nelle zone di subduzione, dove una placca tettonica scivola sotto l'altra, vecchio materiale della crosta, alterato da processi sulla superficie, viene respinta nel mantello. Questo riciclo può creare materiali del mantello di composizioni diverse o "arricchite", che i geochimici chiamano "eterogeneità". Ciò che accade a quel materiale arricchito una volta riciclato non è completamente compreso.

"Questa è una delle grandi domande nelle scienze della Terra, " Ha detto Liang. "In che misura la convezione del mantello mescola e omogeneizza queste eterogeneità? O come potrebbero essere preservate queste eterogeneità?"

Gli scienziati apprendono la composizione del mantello studiando i basalti della dorsale oceanica (MORB), rocce formate dalla solidificazione dei magmi eruttati sul fondo del mare. Come le impronte digitali, le composizioni isotopiche dei MORB possono essere utilizzate per tracciare la fonte del mantello da cui sono state derivate.

Un altro tipo di roccia del fondo marino chiamata peridotiti abissali è il mantello rimasto dopo la formazione dei MORB. Questi sono pezzi di roccia del mantello che una volta erano il mantello più alto e successivamente sollevati sul fondo del mare. Le peridotiti abissali hanno una composizione isotopica diversa rispetto ai MORB che sembrano provenire dalla stessa regione del mantello. Per spiegare questa differenza nella composizione degli isotopi, gli scienziati hanno concluso che i MORB stanno catturando il segnale degli isotopi da sacche di materiale arricchito, i resti della crosta subdotta conservata nel mantello.

La domanda a cui questo nuovo studio ha cercato di rispondere è quanto grandi dovrebbero essere quelle tasche arricchite affinché la loro firma isotopica sopravviva al viaggio in superficie. Mentre il magma sale verso la superficie, interagisce con il mantello ambientale, che tenderebbe a smorzare il segnale di materiale arricchito nel fuso. Per il loro studio, Liu e Liang hanno modellato i processi di fusione e trasporto del magma. Hanno scoperto che per produrre i diversi segnali isotopici tra i MORB e le peridotiti abissali, le sacche di materiale arricchito in profondità dovrebbero avere una dimensione di almeno un chilometro.

"Se la scala di lunghezza dell'eterogeneità è troppo piccola, lo scambio chimico durante il flusso di magma eliminerebbe le eterogeneità, " ha detto Liang. "Quindi, per produrre la differenza di composizione che vediamo, il nostro modello mostra che l'eterogeneità deve essere di un chilometro o più".

I ricercatori sperano che il loro studio aggiunga una nuova prospettiva alla struttura su piccola scala del mantello prodotta dalla convezione del mantello.

"Il nostro contributo qui è di dare un'idea di quanto possano essere grandi alcune di queste eterogeneità, " Ha detto Liang. "Quindi la domanda per la comunità più ampia diventa:quali potrebbero essere i processi del mantello profondo che possono produrre questo?"