La struttura cristallina dell'anortite feldspatica in condizioni normali (a sinistra) e la variante ad alta pressione appena scoperta (a destra). In condizioni normali, gli atomi di silicio e alluminio formano tetraedri (giallo e blu) con quattro atomi di ossigeno ciascuno (rosso). Ad alta pressione si formano poliedri con cinque e sei atomi di ossigeno. Gli atomi di calcio (grigi) si trovano nel mezzo. Le linee nere delineano la cosiddetta cella unitaria, la più piccola unità di un reticolo cristallino. Credito:DESY, Anna Pakhomova
Negli esperimenti ad alta pressione, gli scienziati hanno scoperto nuove forme del minerale comune feldspato. A temperature moderate, queste varianti finora sconosciute sono stabili alle pressioni del mantello superiore della Terra, dove il feldspato comune normalmente non può esistere. La scoperta potrebbe cambiare la vista alle placche subduttive fredde e l'interpretazione delle firme sismologiche, come riportato sulla rivista dal team attorno alla scienziata DESY Anna Pakhomova e Leonid Dubrovinsky del Bayerisches Geoinstitut di Bayreuth Comunicazioni sulla natura .
I feldspati rappresentano un gruppo di minerali che formano rocce che sono molto abbondanti sulla Terra e costituiscono circa il 60 percento della crosta terrestre. I feldspati più comuni sono l'anortite, (CaSi 2 Al 2 oh 8 ), albite (NaAlSi 3 oh 8 ), e microclino (KAlSi 3 oh 8 ). A condizioni ambientali, gli atomi di alluminio e silicio nel cristallo sono legati ciascuno a quattro atomi di ossigeno, formando AlO 4 e SiO 4 tetraedri.
"Il comportamento dei feldspati sotto pressione e temperatura crescenti è stato studiato approfonditamente in precedenza, nel rispetto del loro destino all'interno della Terra, " spiega Pakhomova. "I feldspati sono noti per essere stabili solo a pressioni fino a 3 gigapascal lungo il comune profilo pressione-temperatura della Terra, mentre si decompongono in minerali più densi a pressioni più elevate." 3 gigapascal (GPa) equivalgono a 30, 000 volte la normale pressione dell'aria a livello del mare. "Però, in condizioni di freddo i feldspati possono persistere metastabilmente a pressioni superiori a 3 GPa, " aggiunge Pakhomova. "Precedenti studi strutturali ad alta pressione di feldspati a temperatura ambiente hanno dimostrato che la struttura tetraedrica dei feldspati è conservata fino a 10 GPa".
Gli scienziati hanno sottoposto i feldspati comuni a pressioni fino a 27 GPa e hanno analizzato la loro struttura alla Extreme Condition Beamline P02.2 della sorgente di luce a raggi X PETRA III di DESY e all'Advanced Photon Source (APS) di Chicago. "A pressioni superiori a 10 GPa, abbiamo scoperto nuovi polimorfi ad alta pressione di anortite, albite e microclino, " riporta Pakhomova. "Le transizioni di fase sono indotte da gravi distorsioni geometriche di AlO 4 e SiO 4 tetraedri, che fanno sì che gli atomi di alluminio e silicio ottengano ulteriori atomi vicini e anche la formazione di strutture più dense basate su poliedri in cui un atomo di alluminio o silicio è legato a quattro, cinque o sei atomi di ossigeno."
Per studiare la stabilità delle varianti ad alta pressione scoperte dei feldspati ad alte temperature e la loro possibile persistenza all'interno della Terra, gli scienziati hanno eseguito una serie di esperimenti ad alta pressione e alta temperatura presso il Bayerisches Geoinstitut. Si è scoperto che la variante ad alta pressione dell'anortite persiste a temperature fino a 600 gradi Celsius a 15 GPa.
"Tali condizioni di pressione-temperatura potrebbero essere trovate sulla Terra nelle zone di subduzione, regioni in cui due placche litosferiche si scontrano, l'uno cavalca l'altro, " spiega Dubrovinsky. "In tali ambienti geologici, i feldspati vengono trasportati all'interno della Terra insieme ad altro materiale crostale dalla placca discendente. I nostri risultati indicano che nelle zone di subduzione fredde, se la temperatura non supera i 600 gradi, le fasi ad alta pressione derivate dai feldspati potrebbero persistere a profondità corrispondenti al mantello superiore della Terra. Questo potrebbe influenzare la dinamica e il destino delle placche litosferiche in subduzione del freddo e alterare le firme sismologiche".
