I minerali intrappolati all'interno di minuscoli cristalli che sono sopravvissuti alla macinazione dei continenti per miliardi di anni possono aiutare a rivelare le origini della tettonica a zolle e forse anche fornire indizi su come la vita complessa sia sorta sulla Terra.

La teoria della tettonica a zolle, che descrive come la crosta terrestre viene separata in placche che galleggiano e scivolano su uno strato di roccia malleabile sottostante, è stata ampiamente accettata dalla scienza circa 50 anni fa. Si ritiene che il processo abbia ampiamente plasmato il mondo intorno a noi consentendo ai continenti di formarsi, sollevando enormi catene montuose quando si scontrano, creando isole vulcaniche e innescando catastrofici terremoti.

Ma c'è ancora dibattito su come e quando esattamente nei 4,5 miliardi di anni di storia del nostro pianeta si siano formate le placche, le stime variano da meno di un miliardo a 4,3 miliardi di anni fa.

Inoltre non è chiaro esattamente quanto velocemente si sia evoluta la tettonica a zolle, dice il dottor Hugo Moreira, geologo presso l'Università di Montpellier in Francia. La crosta terrestre si è divisa bruscamente in più placche e ha iniziato a muoversi in appena decine di milioni di anni? o il processo era molto più graduale, impiegando centinaia di milioni di anni o più?

Capire questo potrebbe rivelarsi cruciale per capire non solo come si è evoluto il pianeta stesso, ma anche come potrebbe essere stata avviata la vita sulla Terra. Si pensa che le condizioni create dalla tettonica a zolle abbiano contribuito a rendere la Terra ospitale per la vita in primo luogo e abbiano anche fornito nutrienti vitali necessari per la prosperità della complessa vita multicellulare.

Capsule del tempo di cristallo

Il dottor Moreira e i suoi colleghi stanno cercando risposte a queste domande all'interno di minuscoli cristalli di zircone, che sono capsule temporali del lontano passato della Terra a causa della loro estrema robustezza. Si trovano spesso conservati nella roccia nonostante l'azione di continui agenti atmosferici ed eventi geologici.

Molti di questi cristalli sono stati precedentemente datati analizzando il decadimento radioattivo degli isotopi, diverse forme di elementi, che contengono. Alcuni sono stati trovati fino a 4,4 miliardi di anni fa, i primi frammenti conosciuti della crosta terrestre.

"Ecco perché lo zircone è fantastico, perché sebbene le rocce che compongono i continenti siano state distrutte, lo zircone è sopravvissuto nel registro sedimentario, " ha affermato il dott. Moreira. Gli scienziati hanno precedentemente utilizzato i cristalli di zircone per studiare la storia della crosta continentale della Terra, ma non è stato ancora sufficiente per fornire un consenso definitivo su come è iniziata la tettonica a zolle, lui dice.

"Dopo averne analizzato centinaia di migliaia, non abbiamo ancora un accordo, " ha detto il dottor Moreira, un membro del progetto MILESTONE guidato dal Dr. Bruno Dhuime, un ricercatore di geoscienze per il Centro nazionale francese per la ricerca scientifica anche presso l'Università di Montpellier.

I ricercatori sperano di utilizzare questi cristalli, che in genere misurano circa un decimo di millimetro, o più o meno lo spessore di un capello umano, per migliorare la nostra comprensione dei tempi e dell'evoluzione della tettonica a zolle.

Il gruppo MILESTONE eseguirà il drill-down su una scala ancora più piccola, circa un centesimo di millimetro, per esaminare tracce di minerali di apatite e feldspato intrappolati all'interno dei cristalli di zircone. Gli isotopi di stronzio e piombo in queste "inclusioni" possono aggiungere dettagli senza precedenti sulla fonte di formazione dello zircone e se ciò si è verificato nei vari tipi di magma sotto le placche stagnanti o in movimento, dice il dottor Moreira.

"Sarà un passo fondamentale verso una migliore comprensione di come si è evoluto il nostro pianeta, " disse. "Se riusciamo a misurare la composizione isotopica di queste minuscole inclusioni, potremmo dire qual era la composizione della roccia da cui si cristallizzò lo zircone. Possiamo forse capire come si fosse evoluta la crosta a quel punto e in quale tipo di ambiente tettonico si fosse formato il magma».

Questa analisi su piccola scala è stata resa possibile dall'allestimento di un laboratorio contenente un spettrometro di massa altamente sensibile, apparecchiature che misurano le caratteristiche degli atomi.

Il team spera di iniziare ad analizzare i campioni il mese prossimo, in ultima analisi, indagando le inclusioni in più di 5, 000 zirconi di varia età provenienti da tutto il mondo per costruire un quadro su vasta scala. "Quello che vogliamo fare è individuare quando la tettonica a zolle è diventata globale invece di quando è stata localizzata in punti isolati qua e là, " disse il dottor Moreira.

Strutture sotterranee

All'estremo opposto della scala, altri ricercatori hanno cercato indizi sulle origini della tettonica a zolle in due enormi strutture di dimensioni continentali trovate in profondità sotto le placche del Pacifico e dell'Africa.

Questi "pali termochimici, " strutture misteriose situate a circa 2, 900 chilometri sotto la superficie al confine tra il nucleo terrestre e il mantello, were discovered in the 1990s with the aid of seismic tomography—imaging from seismic waves produced by earthquakes or explosions. They were detected as potentially warmer areas of material in which seismic waves travel at different speeds than in the surrounding mantle, but there is still much debate about exactly what they are, including their composition, longevità, shape and origins.

Over the past couple of decades, a 'fiery' debate has arisen over their proposed link to movements on the planet's surface and so their potential involvement in the emergence of plate tectonics, explained Dr. Philip Heron, a geoscientist who studied the structures as lead researcher on the TEROPPLATE project at Durham University.

"These piles are thought to have an impact on how material moves within the planet, and therefore how the surface behaves over time, " he said. Events on the surface may in turn drive their activity.

One theory is that these piles are stable for long geological periods and their edges correspond with the position of key features involved in plate tectonics on Earth's surface, such as supervolcanoes.

Però, their extreme depth makes these piles difficult to observe directly. "Given that these structures are in places 100 times higher than Mount Everest, they may be the largest things in our planet that we know the least about, " said Dr. Heron.

Supercomputer power

The TEROPPLATE project harnessed supercomputer power to investigate. Using more than 1, 000 computers working in tandem, the team developed 3-D models of Earth to show how the assumed chemical composition of large hot regions deep underground might influence the formation and location of deep mantle plumes.

Però, their models indicated that the piles may be more passive in plate tectonics than initially thought and that the world would still form similar geological features without them. "When looking at the positioning of large plumes of material that form supervolcanoes, our numerical simulations indicated that the chemical piles were not the controlling factor in this, " said Dr. Heron.

But he added that these findings were not fully conclusive and have also opened the door to other interesting avenues for research—such as exploring the implications that these structures are constantly moving through the mantle rather than being largely stationary.

"It gives weight to the theory that the chemical piles may not be rigid and fixed in our planet, and that the deep Earth may evolve as readily as the continents on our surface move around, " he said. "It's a push to start looking deeper."

Some of TEROPPLATE's results also indicate that the piles may have been robust enough to survive Earth's earliest beginnings. That makes it feasible for them to have been around for the start of plate tectonics and thus to have had roles in the process that we don't yet know about, adds Dr. Heron.

All of this could have implications for understanding our own place on Earth too. Se, ad esempio, plate tectonics evolved rapidly early in Earth's history, it may raise questions such as why complex life didn't emerge earlier or just how closely the two are linked, says Dr. Moreira.

"To fundamentally understand where plate tectonics comes from is potentially the essence of life, " added Dr. Heron. "On Earth, there's not a thing that hasn't been impacted by it."