Nuovi indizi sulla formazione della crosta terrestre

Nuovi esperimenti hanno messo in discussione una spiegazione popolare per le proprietà che hanno dato origine alla crosta terrestre

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Nuovi indizi sulla formazione della crosta terrestre
Nuovi indizi sulla formazione della crosta terrestre

Nuovi esperimenti hanno messo in discussione una spiegazione popolare per le proprietà che hanno dato origine alla crosta terrestre. Nonostante sia un fattore cruciale nel rendere la Terra un luogo ospitale per la vita rispetto ad altri pianeti del sistema solare, le origini e le caratteristiche uniche della crosta terrestre rimangono in gran parte enigmatiche.

Un recente studio condotto da Elizabeth Cottrell, geologa ricercatrice e curatrice di rocce presso il Museo Nazionale di Storia Naturale dello Smithsonian, e Megan Holycross, precedentemente Peter Buck Fellow e National Science Foundation Fellow presso il museo e ora assistente professore alla Cornell University, ha fatto progredire la nostra conoscenza della crosta terrestre testando e confutando una teoria ampiamente diffusa riguardante il contenuto di ferro inferiore e i livelli di ossidazione più elevati della crosta continentale rispetto alla crosta oceanica.

La composizione povera di ferro della crosta terrestre è una delle ragioni principali per cui vaste porzioni della superficie terrestre si trovano sopra il livello del mare come terraferma, rendendo possibile la vita oggi.

Lo studio, recentemente pubblicato sulla rivista Science, utilizza esperimenti di laboratorio per dimostrare che la chimica ossidata e priva di ferro tipica della crosta terrestre probabilmente non proviene dalla cristallizzazione del granato minerale, come una spiegazione popolare proposta nel 2018.

I mattoni della crosta terrestre emergono dalle profondità della Terra in quelli che sono noti come vulcani ad arco continentale, che si trovano nelle zone di subduzione dove una placca oceanica si tuffa sotto una placca continentale. Nella spiegazione del granato per lo stato impoverito di ferro e ossidato della crosta continentale, la cristallizzazione del granato nei magmi sotto questi vulcani dell’arco continentale rimuove il ferro non ossidato (ridotto o ferroso, come è noto tra gli scienziati) dalle placche terrestri, esaurendo contemporaneamente il magma fuso di ferro e lasciandolo più ossidato.

Un'immagine al microscopio di un esperimento condotto per questo studio. L'immagine contiene vetro (marrone), grandi granati (rosa) e altri piccoli cristalli minerali. Il campo visivo è largo 410 micron, circa le dimensioni di un cristallo di zucchero. Credito: G. Macpherson e E. Cottrell, Smithsonian
Un’immagine al microscopio di un esperimento condotto per questo studio. L’immagine contiene vetro (marrone), grandi granati (rosa) e altri piccoli cristalli minerali. Il campo visivo è largo 410 micron, circa le dimensioni di un cristallo di zucchero. Credito: G. Macpherson e E. Cottrell, Smithsonian

Una delle principali conseguenze del basso contenuto di ferro della crosta terrestre rispetto alla crosta oceanica è che rende i continenti meno densi e più galleggianti, facendo sì che le placche continentali si trovino più in alto sul mantello del pianeta rispetto alle placche oceaniche. Questa discrepanza nella densità e nella galleggiabilità è una delle ragioni principali per cui i continenti sono caratterizzati da terraferma mentre le croste oceaniche sono sott’acqua, nonché perché le placche continentali escono sempre in cima quando incontrano le placche oceaniche nelle zone di subduzione.



La spiegazione del granato per l’esaurimento e l’ossidazione del ferro nei magmi dell’arco continentale era convincente, ma Cottrell ha detto che un aspetto non le andava bene.

“Hai bisogno di alte pressioni per rendere stabile il granato, e trovi questo magma a basso contenuto di ferro nei punti in cui la crosta terrestre non è così spessa e quindi la pressione non è molto alta”, ha affermato.

Nel 2018, Cottrell e i suoi colleghi hanno iniziato a trovare un modo per verificare se la cristallizzazione del granato in profondità sotto questi vulcani ad arco sia davvero essenziale per il processo di creazione della crosta terrestre. Per ottenere ciò, Cottrell e Holycross hanno dovuto trovare modi per replicare l’intenso calore e la pressione della crosta terrestre in laboratorio, e quindi sviluppare tecniche abbastanza sensibili da misurare non solo la quantità di ferro presente, ma anche per differenziare il ferro ossidato. 

Per ricreare l’enorme pressione e il calore che si trovano sotto i vulcani ad arco continentale, il team ha utilizzato quelle che vengono chiamate presse cilindro-pistone nel laboratorio ad alta pressione del museo e alla Cornell.

Una pressa idraulica pistone-cilindro ha all’incirca le dimensioni di un mini frigorifero ed è per lo più realizzata in acciaio incredibilmente spesso e resistente e carburo di tungsteno. La forza applicata da un grande pistone idraulico si traduce in pressioni molto elevate su minuscoli campioni di roccia, delle dimensioni di circa un millimetro cubo. L’assieme è costituito da isolanti elettrici e termici che circondano il campione di roccia, nonché da un forno cilindrico. La combinazione della pressa pistone-cilindro e del gruppo di riscaldamento consente esperimenti che possono raggiungere le pressioni e le temperature molto elevate che si trovano sotto i vulcani.

In 13 diversi esperimenti, Cottrell e Holycross hanno coltivato campioni di granato dalla roccia fusa all’interno della pressa pistone-cilindro a pressioni e temperature progettate per simulare le condizioni all’interno delle camere magmatiche in profondità nella crosta terrestre. Le pressioni utilizzate negli esperimenti variavano da 1,5 a 3 gigapascal, ovvero da circa 15.000 a 30.000 atmosfere terrestri di pressione o 8.000 volte più pressione che all’interno di una lattina di soda. Le temperature variavano da 950 a 1.230 gradi Celsius, che è abbastanza caldo da sciogliere la roccia.

Successivamente, il team ha raccolto granati dalla National Rock Collection di Smithsonian e da altri ricercatori in tutto il mondo. Fondamentalmente, questo gruppo di granati era già stato analizzato, quindi erano note le loro concentrazioni di ferro ossidato e non ossidato.

Infine, gli autori dello studio hanno portato i materiali dei loro esperimenti e quelli raccolti dalle collezioni all’Advanced Photon Source presso l’Argonne National Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti in Illinois. Lì il team ha utilizzato fasci di raggi X ad alta energia per condurre la spettroscopia di assorbimento dei raggi X, una tecnica che può fornire agli scienziati la struttura e la composizione dei materiali in base a come assorbono i raggi X. In questo caso, i ricercatori stavano esaminando le concentrazioni di ferro ossidato e non ossidato.

I campioni con rapporti noti di ferro ossidato e non ossidato hanno fornito un modo per controllare e calibrare le misurazioni della spettroscopia di assorbimento dei raggi X del team e hanno facilitato un confronto con i materiali dei loro esperimenti.

I risultati di questi test hanno rivelato che i granati non avevano incorporato abbastanza ferro non ossidato dai campioni di roccia per spiegare i livelli di impoverimento e ossidazione del ferro presenti nei magmi che sono i mattoni della crosta terrestre.

“Questi risultati rendono il modello di cristallizzazione del granato una spiegazione estremamente improbabile del motivo per cui i magmi dei vulcani ad arco continentale sono ossidati e impoveriti di ferro”, ha detto Cottrell. “È più probabile che le condizioni nel mantello terrestre sotto la crosta continentale stiano creando queste condizioni ossidate”.

Come tanti risultati scientifici, i risultati portano a più domande: “Cosa sta facendo l’ossidante o l’esaurimento del ferro?” ha affermato Cottrel. “Se non è la cristallizzazione del granato nella crosta e riguarda il modo in cui i magmi arrivano dal mantello, allora cosa sta succedendo nel mantello? Come sono state modificate le loro composizioni”?

Cottrell ha dichiarato che è difficile rispondere a queste domande, ma che ora la teoria principale è che lo zolfo ossidato potrebbe ossidare il ferro, qualcosa che un attuale Peter Buck Fellow sta indagando sotto la sua guida al museo.

Fonte: Science

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