Una nuova visione dell'interno della Terra

Ci sono luoghi che rimarranno sempre fuori dalla portata di noi umani. Questo include l'interno della Terra. Tuttavia, esistono modi per farsi un'idea di questo mondo sconosciuto. Ad esempio, la velocità di propagazione delle onde sismiche fornisce importanti indicazioni su come è strutturata la Terra e sulle proprietà fisiche dei materiali presenti in profondità. Inoltre, le rocce vulcaniche che emergono in superficie dalle profondità della Terra in determinati punti forniscono importanti informazioni sulla composizione chimica del mantello terrestre. Infine, gli esperimenti di laboratorio permettono di simulare su piccola scala le condizioni dell'interno della Terra.

Una nuova pubblicazione di Motohiko Murakami, professore di fisica minerale sperimentale, e del suo team sulla rivista scientifica PNAS mostra quanto siano rivelatori tali esperimenti. I risultati dei ricercatori suggeriscono che l'immagine che molti scienziati della Terra hanno dell'interno del pianeta potrebbe essere troppo semplicistica.

Cambiamento di salto

Sotto la sottile crosta terrestre, spessa solo pochi chilometri, si trova il mantello terrestre, anch'esso composto da rocce. Questo circonda il nucleo della Terra, che inizia a 2900 chilometri di profondità. Sulla base dei segnali sismici, sappiamo che c'è un'impressionante transizione nel mantello terrestre a una profondità di circa 660 chilometri: Le rocce del mantello superiore che sono al di sopra di questo confine hanno proprietà meccaniche diverse da quelle del mantello inferiore sottostante, e quindi la velocità di propagazione delle onde sismiche cambia bruscamente in corrispondenza di questo confine.

Non è chiaro se si tratti solo di un confine fisico o se anche la composizione chimica delle rocce stia cambiando. Molti scienziati della Terra ritengono che il mantello terrestre nel suo complesso abbia una composizione relativamente omogenea e sia costituito da rocce ricche di magnesio che hanno una composizione simile a quella delle rocce peridotitiche presenti sulla superficie terrestre. Questi messaggeri del mantello superiore vengono portati sulla superficie terrestre, ad esempio, dai vulcani e hanno un rapporto magnesio-silicio pari a circa 1,3.

"L'ipotesi che il mantello terrestre sia più o meno omogeneo si basa su un presupposto relativamente semplice", spiega Murakami. "Vale a dire, che il mantello terrestre sia costantemente mescolato dalle enormi correnti di convezione che causano anche il movimento delle placche terrestri in superficie. Ma questo potrebbe essere troppo semplicistico".

Dov'è il silicio?

In realtà c'è un problema fondamentale con questo assunto. Si presume che la Terra si sia formata circa 4,5 miliardi di anni fa dall'agglomerazione di meteoriti e che quindi abbia la stessa composizione complessiva dei meteoriti che si sono formati dalla nebulosa solare originaria. La differenziazione della Terra in nucleo, mantello e crosta è seguita in una seconda fase.

Se ora sottraiamo il ferro e il nichel che si trovano attualmente nel nucleo terrestre, diventa chiaro che il mantello terrestre dovrebbe in realtà contenere molto più silicio delle rocce peridotitiche. In base a questo calcolo, il mantello terrestre dovrebbe avere un rapporto magnesio-silicio di circa 1 - e non di 1,3.

Per gli scienziati della Terra si pone quindi la domanda: dov'è il silicio mancante? C'è anche una risposta ovvia: c'è così poco silicio nel mantello terrestre perché si trova nel nucleo della Terra. Ma Murakami giunge a una conclusione diversa: il silicio si trova nel mantello inferiore della Terra. Questo avrebbe quindi una composizione diversa rispetto al mantello superiore.

Ragionamento complesso

Il ragionamento di Murakami è piuttosto contorto: In primo luogo, ora sappiamo con precisione la velocità di propagazione delle onde sismiche nel mantello terrestre. In secondo luogo, sappiamo da esperimenti di laboratorio che il mantello inferiore della Terra è costituito principalmente dal minerale bridgmanite, contenente silicio, e dal minerale ferropericlasio, ricco di magnesio. In terzo luogo, sappiamo che la velocità di propagazione delle onde sismiche dipende dall'elasticità dei minerali che compongono le rocce.

Se conosciamo le proprietà elastiche dei due minerali, possiamo calcolare quale rapporto di miscelazione dei due minerali corrisponde alla velocità di propagazione delle onde sismiche osservata. Da ciò si può dedurre quale deve essere la composizione chimica del mantello inferiore della Terra.

Mentre le proprietà elastiche del ferropericlasio sono ben note, questo non è ancora il caso della bridgmanite. Questo perché l'elasticità di questo minerale dipende fortemente dalla sua composizione chimica. A seconda della quantità di ferro incorporato nella bridgmanite, l'elasticità di questo minerale cambia.

Misure elaborate

Murakami ha ora condotto esperimenti ad alta pressione con questo minerale nel suo laboratorio, sperimentando diverse miscele. In una prima fase, i ricercatori hanno bloccato una piccola quantità di campione tra due punte di diamante e poi le hanno premute l'una contro l'altra utilizzando un dispositivo speciale. Questo espone il materiale del campione a una pressione estremamente elevata, simile a quella che si trova nel mantello inferiore della Terra.

In una seconda fase, i ricercatori hanno inviato la luce laser sul campione e poi hanno misurato lo spettro d'onda della luce diffusa sull'altro lato. In base agli spostamenti dello spettro d'onda, sono stati in grado di determinare l'elasticità del minerale nelle condizioni di pressione corrispondenti. "Le misurazioni sono state molto complesse", riferisce Murakami. "Poiché la bridgmanite diventa meno traslucida con l'aumentare del contenuto di ferro, abbiamo avuto bisogno di quindici giorni per una singola misurazione".

Il silicio è stato trovato

Sulla base dei valori ottenuti, Murakami ha poi modellato quale composizione corrisponde meglio alla propagazione delle onde sismiche. I risultati confermano la sua ipotesi che il mantello inferiore della Terra abbia una struttura diversa da quella del mantello superiore. "Riteniamo che quest'area della Terra sia costituita per l'88-93% da bridgmanite", spiega Murakami. "Il mantello inferiore ha quindi un rapporto magnesio-silicio di circa 1,1". Murakami ritiene quindi che il mistero del silicio mancante sia stato risolto.

Tuttavia, i risultati sollevano anche nuove domande. Ad esempio, sappiamo che in alcune zone di subduzione la crosta terrestre viene spinta in profondità nel mantello, a volte addirittura fino al confine con il nucleo terrestre. Il mantello superiore e quello inferiore non sono quindi di per sé entità ermeticamente separate. Non è ancora chiaro come le due aree interagiscano tra loro e come funzionino esattamente le dinamiche all'interno della Terra per cui alla fine si creano aree di mantello chimicamente diverse.