La cella dell'incudine di diamante ha ricreato le condizioni della Terra primitiva mentre il materiale analogo al nucleo, la linea tratteggiata interna, si separa dal materiale analogo all'oceano di magma nel mantello, la linea tratteggiata esterna. La barra della scala nel pannello di sinistra è di 10 micron. Credito:Colin Jackson.
I pennacchi di roccia calda che salgono dal mantello terrestre nei punti caldi vulcanici contengono prove che gli anni di formazione della Terra potrebbero essere stati ancora più caotici di quanto si pensasse in precedenza, secondo un nuovo lavoro di un team di scienziati Carnegie e Smithsonian pubblicato in Natura .
È ben noto che la Terra si è formata dall'accrescimento della materia che circonda il giovane Sole. Alla fine il pianeta crebbe a una dimensione tale che il metallo di ferro più denso affondò verso l'interno, per formare gli inizi del nucleo terrestre, lasciando galleggiare il mantello ricco di silicati.
Ma il nuovo lavoro di un team guidato da Yingwei Fei e Carnegie di Carnegie e Colin Jackson di Smithsonian sostiene che questa separazione del mantello e del nucleo non fosse un processo così ordinato.
"I nostri risultati suggeriscono che quando il nucleo è stato estratto dal mantello, il mantello mai completamente mescolato, " ha spiegato Jackson. "Questo è sorprendente perché la formazione del nucleo è avvenuta sulla scia immediata di grandi impatti di altri oggetti del primo sistema solare che la Terra ha sperimentato durante la sua crescita, simile al gigantesco impatto che in seguito formò la Luna. Prima di adesso, era opinione diffusa che questi impatti molto energetici avrebbero completamente smosso il mantello, mescolando tutti i suoi componenti in uno stato uniforme."
La pistola fumante che ha portato il team alla loro ipotesi proviene da firme isotopiche uniche e antiche di tungsteno e xeno trovate nei punti caldi vulcanici, come le Hawaii. Sebbene si credesse che questi pennacchi provenissero dalle regioni più profonde del mantello, l'origine di queste firme isotopiche uniche è stata dibattuta. Il team ritiene che la risposta risieda nel comportamento chimico dello iodio, l'elemento genitore dello xeno, ad altissima pressione.
La Terra ha subito molteplici grandi impatti; le condizioni di alta pressione e temperatura hanno causato sacche di partizione del nucleo e del mantello che persistono come chimicamente distinte oggi. Credito:Neil Bennett
Gli isotopi sono versioni di elementi con lo stesso numero di protoni, ma diverso numero di neutroni. isotopo radioattivo degli elementi, come lo iodio-129, sono instabili. Per ottenere stabilità, lo iodio-129 decade in xeno-129. Perciò, le firme isotopiche dello xeno nei campioni di mantello pennacchio sono direttamente correlate al comportamento dello iodio durante il periodo di separazione nucleo-mantello.
Usando cellule di incudine di diamante per ricreare le condizioni estreme in cui il nucleo della Terra si è separato dal suo mantello, Jackson, Fei, e i loro colleghi, Neil Bennett e Zhixue Du di Carnegie e Elizabeth Cottrell di Smithsonian, determinarono come lo iodio si divideva tra il nucleo metallico e il mantello di silicato. Hanno anche dimostrato che se il nucleo nascente si separava dalle regioni più profonde del mantello mentre era ancora in crescita, allora queste tasche del mantello possederebbero la chimica necessaria per spiegare le firme isotopiche uniche di tungsteno e xeno, purché queste tasche siano rimaste non mescolate con il resto del mantello fino ai giorni nostri.
Secondo Bennett:"Il comportamento chiave che abbiamo identificato è stato che lo iodio inizia a dissolversi nel nucleo a pressioni e temperature molto elevate. In queste condizioni estreme, iodio e afnio, che decadono radioattivamente in xeno e tungsteno, mostrano preferenze opposte per il metallo che forma il nucleo. Questo comportamento porterebbe alle stesse firme isotopiche uniche ora associate agli hotspot".
I calcoli del team prevedono anche che le firme isotopiche di tungsteno e xeno dovrebbero essere associate a dense tasche del mantello.
"Come gocce di cioccolato in pastella per biscotti, queste fitte tasche del mantello sarebbero molto difficili da rimescolare, e questo potrebbe essere un aspetto cruciale per il mantenimento delle loro antiche firme isotopiche di tungsteno e xeno fino ai giorni nostri, "Ha spiegato Jackson.
"Ancora più eccitante è che ci sono prove geofisiche crescenti che in realtà ci sono regioni dense di mantello, che riposa appena sopra il nucleo, chiamate zone a velocità ultrabassa e grandi province a bassa velocità di taglio. Questo lavoro lega insieme queste osservazioni, Fei ha aggiunto. "La metodologia sviluppata qui apre anche nuove opportunità per studiare direttamente i processi profondi della Terra".
