La comprensione attuale è che la composizione chimica del mantello terrestre è relativamente omogenea. Ma gli esperimenti condotti dai ricercatori dell'ETH ora mostrano che questa visione è troppo semplicistica. I loro risultati risolvono un problema chiave per le geoscienze e sollevano alcune nuove domande.

Ci sono posti che saranno sempre fuori dalla nostra portata. L'interno della Terra è uno di questi. Ma abbiamo modi per ottenere una comprensione di questo mondo inesplorato. Onde sismiche, ad esempio, ci permettono di porre importanti vincoli alla struttura del nostro pianeta e alle proprietà fisiche dei materiali nascosti in esso. Ci sono poi le rocce vulcaniche che emergono in alcuni punti della superficie terrestre dal profondo e forniscono importanti indizi sulla composizione chimica del mantello. E infine ci sono esperimenti di laboratorio che possono simulare le condizioni dell'interno della Terra su piccola scala.

Una nuova pubblicazione di Motohiko Murakami, Professore di Fisica Minerale Sperimentale, e la sua squadra è stata recentemente pubblicata sul diario PNAS e mostra quanto possano essere illuminanti tali esperimenti. I risultati dei ricercatori suggeriscono che la comprensione di molti geoscienziati dell'interno della Terra potrebbe essere troppo semplicistica.

Cambiamento drammatico

Al di sotto della crosta terrestre, che ha uno spessore di pochi chilometri, giace il suo mantello. Fatto anch'esso di roccia, questo circonda il nucleo del pianeta, che inizia circa 2, 900 chilometri sotto di noi. Grazie ai segnali sismici, sappiamo che nel mantello si verifica un cambiamento drammatico ad una profondità di circa 660 chilometri:è qui che il mantello superiore incontra il mantello inferiore e le proprietà meccaniche della roccia iniziano a differire, ecco perché la velocità di propagazione delle onde sismiche cambia drasticamente a questo confine.

Ciò che non è chiaro è se si tratti solo di un confine fisico o se a questo punto cambi anche la composizione chimica della roccia. Molti geoscienziati presumono che il mantello terrestre nel suo insieme sia composto in modo relativamente consistente da roccia ricca di magnesio, che a sua volta ha una composizione simile a quella della roccia di peridotite trovata sulla superficie terrestre. Questi inviati dal mantello superiore, che arrivano sulla superficie terrestre attraverso eventi come eruzioni vulcaniche, mostrano un rapporto magnesio-silicio di ~1.3.

"La presunzione che la composizione del mantello terrestre sia più o meno omogenea si basa su un'ipotesi relativamente semplice, "Spiega Murakami. "Ovvero che le potenti correnti convettive all'interno del mantello, che guidano anche il movimento delle placche tettoniche sulla superficie terrestre, lo mescolano continuamente. Ma è possibile che questa visione sia troppo semplicistica".

Dov'è il silicio?

C'è davvero un difetto fondamentale in questa ipotesi. È generalmente accettato che la Terra si sia formata circa 4,5 miliardi di anni fa attraverso l'accrescimento di meteoriti emersi dalla nebulosa solare primordiale, e come tale ha la stessa composizione complessiva di quei meteoriti. La differenziazione della Terra in nucleo, mantello e crosta sono avvenuti come parte di un secondo passaggio.

Lasciando da parte il ferro e il nichel, che ormai fanno parte del nucleo del pianeta, diventa evidente che il mantello dovrebbe effettivamente contenere più silicio della roccia di peridotite. Sulla base di questi calcoli, il mantello dovrebbe avere un rapporto magnesio-silicio più vicino a ~1 piuttosto che a ~1.3.

Questo spinge i geologi a porsi la seguente domanda:dov'è il silicio mancante? E c'è una risposta ovvia:il mantello terrestre contiene così poco silicio perché è nel nucleo terrestre. Ma Murakami giunge a una conclusione diversa, vale a dire che il silicio è nel mantello inferiore. Ciò significherebbe che la composizione del mantello inferiore differisce da quella del mantello superiore.

Ipotesi di avvolgimento

L'ipotesi di Murakami prende alcuni colpi di scena:primo, sappiamo già con precisione quanto velocemente viaggiano le onde sismiche attraverso il mantello. Secondo, esperimenti di laboratorio mostrano che il mantello inferiore è costituito principalmente dal minerale siliceo bridgmanite e dal minerale ferropericlasio ricco di magnesio. Terzo, sappiamo che la velocità di percorrenza delle onde sismiche dipende dall'elasticità dei minerali che compongono la roccia. Quindi se si conoscono le proprietà elastiche dei due minerali, è possibile calcolare le proporzioni di ciascun minerale necessarie per correlare con la velocità osservata delle onde sismiche. È quindi possibile ricavare quale deve essere la composizione chimica del mantello inferiore.

Sebbene le proprietà elastiche del ferropericlasio siano note, quelli di bridgmanite non lo sono ancora. Questo perché l'elasticità di questo minerale dipende molto dalla sua composizione chimica; più specificamente, varia a seconda di quanto ferro contiene la bridgmanite.

Misurazioni che richiedono tempo

Nel suo laboratorio, Murakami e il suo team hanno ora condotto test ad alta pressione su questo minerale e sperimentato diverse composizioni. I ricercatori hanno iniziato fissando un piccolo campione tra due punte di diamante e utilizzando un dispositivo speciale per premerli insieme. Ciò ha sottoposto il campione a una pressione estremamente elevata, simile a quello che si trova nel mantello inferiore.

I ricercatori hanno quindi diretto un raggio laser sul campione e misurato lo spettro d'onda della luce dispersa dall'altra parte. Usando gli spostamenti nello spettro d'onda, sono stati in grado di determinare l'elasticità del minerale a diverse pressioni. "Ci è voluto molto tempo per completare le misurazioni, "Riferisce Murakami. "Poiché più bridgmanite contiene ferro, meno permeabile alla luce diventa, abbiamo impiegato fino a quindici giorni per completare ogni singola misurazione."

Silicon scoperto

Murakami ha quindi utilizzato i valori di misurazione per modellare la composizione che meglio si correla con la dispersione delle onde sismiche. I risultati confermano la sua teoria secondo cui la composizione del mantello inferiore differisce da quella del mantello superiore. "Stimiamo che la bridgmanite costituisca dall'88 al 93 percento del mantello inferiore, "Murakami dice, "che conferisce a questa regione un rapporto magnesio-silicio di circa 1,1". L'ipotesi di Murakami risolve il mistero del silicio mancante.

Ma le sue scoperte sollevano nuove domande. Sappiamo per esempio che all'interno di certe zone di subduzione, la crosta terrestre viene spinta in profondità nel mantello, a volte anche fino al confine con il nucleo. Ciò significa che i manti superiore e inferiore non sono in realtà entità separate ermeticamente. Resta da vedere come interagiscono le due aree e come funzionano esattamente le dinamiche dell'interno della Terra per produrre regioni del mantello chimicamente diverse.