Negli anni Sessanta, circa 50 anni dopo che il ricercatore tedesco Alfred Wegener propose la sua ipotesi di deriva dei continenti, la teoria della tettonica a zolle ha fornito agli scienziati un quadro unificante per descrivere il movimento su larga scala delle placche superficiali che compongono la litosfera terrestre, un quadro che in seguito ha rivoluzionato le geoscienze.

Il modo in cui queste placche si muovono intorno alla superficie terrestre è controllato dal movimento all'interno del mantello, la cui forza motrice è la convezione dovuta alle anomalie termiche, con eterogeneità compositiva prevista. Però, la sfida tecnica di visualizzare strutture all'interno di un materiale otticamente impenetrabile, 6, La sfera rocciosa di 371 chilometri di raggio ha fatto comprendere lo stato compositivo e termico del mantello, così come la sua dinamica evoluzione, una sfida di vecchia data nelle scienze della Terra.

Ora, in un articolo pubblicato oggi in Comunicazioni sulla natura , ricercatori del MIT, Collegio Imperiale, Università del riso, e l'Istituto di Scienze della Terra in Francia riportano prove dirette di variazioni laterali nella composizione del mantello al di sotto delle Hawaii. I risultati forniscono agli scienziati nuove importanti informazioni su come la Terra si è evoluta nel corso dei suoi 4,5 miliardi di anni di storia, perché è così com'è adesso, e cosa significa questo per i pianeti rocciosi altrove.

Variazione compositiva

Gli scienziati trattano il mantello come due strati, il mantello inferiore e il mantello superiore, separati da uno strato limite chiamato zona di transizione del mantello (MTZ). Fisicamente, la MTZ è delimitata da due discontinuità sismico-velocità vicine a 410 km ea 660 km di profondità (indicate come 410 e 660). Queste discontinuità, che sono dovute alle transizioni di fase nei minerali di silicato, svolgono un ruolo importante nella modulazione del flusso del mantello. Le variazioni laterali in profondità a queste discontinuità sono state ampiamente utilizzate per dedurre anomalie termiche nel mantello, poiché la fisica dei minerali prevede un 410 meno profondo e un 660 più profondo nelle regioni fredde e un 410 più profondo e un 660 più basso nelle regioni calde.

Precedenti studi petrologici e numerici prevedono anche la segregazione composizionale del materiale basaltico e harzburgitico (e quindi l'eterogeneità composizionale) vicino alla base del MTZ negli ambienti relativamente caldi a bassa viscosità vicino alle ascendenze del mantello. Ma le prove osservative per un tale processo sono state scarse.

Il nuovo studio, però, dimostra una chiara evidenza di variazione laterale nella composizione vicino alla base della MTZ sotto le Hawaii. Questa evidenza potrebbe avere importanti implicazioni per la nostra comprensione generale della dinamica del mantello.

Come autore principale Chunquan Yu Ph.D. '16, un ex studente universitario dell'Hilst Group al MIT che ora è postdoc al Caltech, spiega, "Alle dorsali oceaniche di mezzo, la separazione delle piastre provoca la fusione ascendente e parziale del materiale del mantello. Tale processo provoca la differenziazione della litosfera oceanica con materiale basaltico nella crosta e residuo harzburgitico nel mantello. Quando la litosfera oceanica differenziata si raffredda, ridiscende nel mantello lungo la zona di subduzione. Il basalto e l'harzburgite sono difficili da separare in ambienti freddi. Però, possono segregare in ambienti relativamente caldi a bassa viscosità, come risalite in prossimità del mantello, potenzialmente fornendo una delle principali fonti di eterogeneità compositiva nel mantello terrestre."

Guardando con i terremoti

Per esplorare questa idea, Yu e i suoi colleghi hanno utilizzato una tecnica sismica che prevede l'analisi dei riflessi delle onde di taglio della parte inferiore delle discontinuità del mantello, noti come precursori delle SS, per studiare le strutture MTZ sotto l'Oceano Pacifico intorno alle Hawaii.

"Quando si verifica un terremoto, irradia energia sia di compressione (P) che di onda di taglio (S). Sia le onde P che S possono riflettere dalle interfacce all'interno della Terra, " Yu spiega. "Se un'onda S lascia una sorgente verso il basso e si riflette sulla superficie libera prima di arrivare al ricevitore, si chiama SS. I precursori SS sono riflessi dell'onda S al di sotto delle discontinuità del mantello. Perché viaggiano lungo percorsi di raggio più brevi, sono precursori delle SS."

Utilizzando una nuova tecnica di array sismico, il team è stato in grado di migliorare il rapporto segnale-rumore dei precursori SS e rimuovere le fasi interferenti. Di conseguenza, molti più dati che altrimenti sarebbero stati scartati sono diventati accessibili per l'analisi.

Hanno anche impiegato la cosiddetta analisi dell'ampiezza rispetto all'offset, uno strumento ampiamente utilizzato nella sismologia esplorativa, per vincolare le proprietà elastiche vicino alle discontinuità MTZ.

L'analisi rileva forti variazioni laterali nei contrasti radiali nella densità di massa e nella velocità d'onda su 660 mentre non sono state osservate tali variazioni lungo il 410. A complemento di ciò, la modellazione termodinamica del team, lungo una gamma di temperature del mantello per diverse composizioni di mantello rappresentative, preclude un'origine termica per le variazioni laterali dedotte nei contrasti elastici attraverso 660. Invece, i contrasti 660 dedotti possono essere spiegati dalla variazione laterale nella composizione del mantello:dal mantello medio (pirolitico; circa il 60 percento di olivina) sotto le Hawaii a una miscela con harzburgite più impoverita (circa l'80 percento di olivina) a sud-est del punto caldo. Tale eterogeneità compositiva è coerente con le previsioni numeriche secondo cui la segregazione di materiale basaltico e harzburgitico potrebbe verificarsi vicino alla base della MTZ vicino a risvegli del mantello caldo e profondo come quello che viene spesso invocato per causare attività vulcanica alle Hawaii.

"È stato suggerito che la segregazione compositiva tra i materiali basaltici e harzburgitici potrebbe formare uno strato gravitazionalmente stabile sopra la base della MTZ. In tal caso, può fornire un filtro per le discese delle lastre e le risalita del mantello inferiore, e quindi influenzano fortemente il modo di convezione del mantello e la sua circolazione chimica, "dice Yu.

Questo studio presenta una tecnica promettente per ottenere vincoli sulla distribuzione finora sfuggente dell'eterogeneità compositiva all'interno del mantello terrestre. La segregazione composizionale vicino alla base della MTZ è stata prevista fin dagli anni '60 e l'evidenza che questo processo si verifica effettivamente ha importanti implicazioni per la nostra comprensione dell'evoluzione chimica della 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.