Interno del nostro pianeta
  • Categoria dell'articolo:Scienza
  • Ultima modifica dell'articolo:12 Gennaio 2023

È stato pubblicato un articolo scientifico sulla rivista scientifica Nature che presenta i risultati della modellazione al fine di comprendere meglio i movimenti del mantello terrestre all’origine della tettonica a placche.

La tettonica a placche che caratterizza la dinamica del nostro pianeta è difficilmente databile ma esisterebbe da almeno 2 miliardi di anni. Il supercontinente chiamato Gondwana formatosi 600 milioni di anni fa avrebbe iniziato a fratturarsi nel Giurassico (160 milioni di anni fa).

I Pirenei, una montagna giovane, risalgono solo a circa 40 milioni di anni fa. Come apprendiamo queste durate, noi poveri umani, per i quali passare 100 anni sulla superficie della Terra rappresenta già una lunghissima permanenza? È la scienza e i suoi strumenti osservativi, analitici e concettuali che hanno permesso di andare oltre i miti e che portano a questi numeri che fanno girare la testa. Siamo quindi un po’ come gli effimeri, questi insetti che vivono solo un giorno o due, che cercano di capire le stagioni, gli anni…

La scienza è anche sperimentazione. Ma anche qui, come riprodurre fenomeni che si svolgono in periodi molto più lunghi di quelli della nostra vita?

Prendi le dinamiche del nostro pianeta. La tettonica a placche è il quadro concettuale che, a partire dagli anni ’60, riunisce e unifica le descrizioni dei principali eventi geologici che hanno modellato la superficie terrestre. Ma la sua origine è più profonda. Il movimento delle placche risulta da vasti movimenti di convezione che animano il mantello terrestre e permettono alla Terra di evacuare il suo calore interno. Perché la Terra è ancora un pianeta caldo, da qui la sua attività. Più del 98% del volume del nostro pianeta è a temperature superiori a 1000°C e il nucleo è caldo quanto la superficie del sole.

Struttura della Terra. 1. crosta continentale, 2. crosta oceanica, 3. mantello superiore, 4. mantello inferiore, 5. nucleo esterno, 6. nucleo interno
Struttura della Terra. 1. crosta continentale, 2. crosta oceanica, 3. mantello superiore, 4. mantello inferiore, 5. nucleo esterno, 6. nucleo interno. Dake/WikipediaCC BY

Questo calore interno ha diverse origini: una parte del calore primordiale (resti della formazione del nostro pianeta per accrescimento), un’altra che viene estratta dal nucleo in parte a causa della cristallizzazione del seme (solido, parte centrale del nucleo), e infine un altro che deriva dalla disintegrazione radioattiva di elementi (uranio, potassio, torio) presenti in piccole quantità nelle rocce del mantello. È quindi trasportando la materia dal basso (dove le temperature sono più alte) verso l’alto (dove sono le più fredde) che questo calore viene trasportato. La particolarità di questo fenomeno convettivo (ben noto nei liquidi, spesso facciamo l’analogia con la pentola d’acqua in fiamme) è che nel mantello terrestre costituito da rocce solide, è portato dalla deformazione di queste rocce e dei minerali che le costituiscono. Sono quindi queste deformazioni che dobbiamo studiare se vogliamo comprendere e modellare le dinamiche del nostro pianeta. Ma questa ricerca è irta di difficoltà. Elenchiamone alcuni.

Condizioni estreme di pressione e temperatura nel mantello

Il mantello terrestre è questo involucro di rocce, come abbiamo detto, che si estende fino a quasi 2900 km sotto i nostri piedi. Le condizioni di pressione e temperatura prevalenti sono estreme. In particolare, sotto il peso delle rocce, la pressione aumenta bruscamente con la profondità fino a raggiungere circa 135 GPa (1,35 miliardi di volte la pressione atmosferica) man mano che si avvicina al nucleo. Le rocce presenti a queste profondità non sono quelle che si trovano sulla superficie della Terra. Sotto l’influenza della pressione, sono costituiti da minerali più compatti e densi. Durante la seconda metà del 20° secolo, sono stati compiuti notevoli sforzi per sviluppare esperimenti per riprodurre le condizioni di pressione e temperatura dell’interno della Terra.

Hanno permesso di studiare il modo in cui i minerali si addensano sotto pressione e di proporre un modello mineralogico del mantello terrestre corrispondente a quella che si pensa sia la sua composizione chimica (in particolare per confronto con meteoriti considerati come i mattoni del sistema solare). Si identificano diversi stadi di compressione dei minerali per finire, da 670 km di profondità e quasi al nucleo, formando un insieme abbastanza semplice composto da tre minerali principali.

Il più importante (in volume: quasi l’80%) è un silicato di ferro e magnesio (contenente anche un po’ di alluminio) di struttura perovskite chiamato bridgmanite (in onore di Percy Bridgman, fisico americano vincitore del Premio Nobel per la Fisica nel 1946 per il suo lavoro ad alte pressioni). Il calcio, presente nel mantello superiore nei granati e nei pirosseni, sarebbe ospitato da un altro silicato, che presenta la stessa struttura della perovskite: la davemaoite. Infine, l’eccesso di magnesio si esprime sotto forma di un ossido (contenente anche un po’ di ferro): il ferropericlasio.

Condizioni difficili da riprodurre in laboratorio

È quindi il modo in cui si deforma questo insieme mineralogico che costituisce la chiave della dinamica del mantello. Per studiare questo fenomeno in laboratorio, è necessario effettuare esperimenti di deformazione applicando le pressioni molto elevate che consentono di stabilizzare questi minerali. Erano quindi necessari nuovi sviluppi tecnologici e nel 2016 Girard e i suoi colleghi della Yale University (USA) è riuscito nella prima esperienza di deformazione di un assemblaggio di bridgmanite e ferropericlasio in condizioni di pressione e temperatura corrispondenti a circa 700 km di profondità. Questi esperimenti hanno mostrato ciò che si aveva previsto: il silicato (la bridgmanite) è molto più duro dell’ossido (il ferropericlasio). Osservano infatti che il ferropericlasio assorbe quasi tutta la deformazione e si trova fortemente teso in una matrice di bridgmanite quasi rigida. Tale comportamento può avere conseguenze importanti su come il mantello può deformarsi.

Thielmann e colleghi dell’Università di Bayreuth in Germania hanno utilizzato modelli numerici per deformare ulteriormente un tale assieme. Mostrano che a seconda del modo in cui il ferropericlasio è distribuito nella roccia, le proprietà meccaniche (e quindi la capacità del mantello di deformarsi ed evacuare il calore) non sono le stesse. Se la fase “morbida”, il ferropericlasio forma strati continui, può “lubrificare” la deformazione e rendere la roccia molto meno viscosa.

Ma questi esperimenti e le conclusioni che se ne possono trarre si scontrano con altre difficoltà. Riprodurre le pressioni e le temperature dell’interno della Terra è già una sfida, ma superarla non basta. Va infatti ricordato che le deformazioni del mantello sono lente, lentissime e si estendono su centinaia di milioni di anni. Studiare questi fenomeni in laboratorio richiede di accelerarli considerevolmente: più di 100 milioni di volte! I meccanismi attivati ​​durante questi esperimenti sono gli stessi che operano in natura? I risultati degli esperimenti di laboratorio possono essere semplicemente estrapolati alle condizioni naturali?

Un nuovo modello

È a rispondere a questa domanda che è dedicato il progetto TimeMan, finanziato dall’European Research Council (ERC).

La sua originalità? Non cercate semplicemente di estrapolare, ma affidatevi alla comprensione più dettagliata possibile della fisica, dei meccanismi di deformazione di questi minerali nelle condizioni di pressione e temperatura del mantello. Torniamo agli esperimenti di Girard e dei suoi collaboratori. Le loro misurazioni mostrano che sono necessarie sollecitazioni molto elevate per deformare i loro campioni a velocità di laboratorio.

I modelli di questo progetto consentono di riprodurre i risultati di questi esperimenti. Mostrano che derivano dall’attivazione dello scorrimento dei difetti cristallini, le dislocazioni che, sotto l’influenza di queste forti sollecitazioni, tagliano i cristalli. Ma nel mantello, le sollecitazioni sono molto più deboli e i modelli mostrano che altri meccanismi devono prendere il sopravvento.

Ad alta temperatura e a basse sollecitazioni, i meccanismi di deformazione della materia solida comportano la migrazione di ioni che lentamente diffondono verso le dislocazioni per conferire loro un ulteriore grado di mobilità che prende il nome di risalita. È quindi questa fase di diffusione che controlla la cinetica della deformazione. Ma è lento, molto lento. In particolare nell’ossido di magnesio dove è il grosso ione ossigeno che ha più difficoltà a muoversi, soprattutto quando la pressione rende la struttura sempre più compatta. Il ferropericlasio si deforma quindi più lentamente della bridgmanite in questo regime di deformazione impossibile da riprodurre su scale temporali di laboratorio. È questo risultato controintuitivo che descrivono nell’articolo della rivista nature. Sfida i dibattiti sull’influenza della distribuzione del ferropericlasio nella matrice.

Se facciamo l’analogia con il burro di arachidi, possiamo dire che i modelli classici a base di ferropericlasio svolgono il ruolo della fase oleosa che rende l’impasto più fluido. I risultati di questo nuovo modello lo vedono piuttosto come le particelle rigide del burro di arachidi “croccante”, senza alcuna influenza apprezzabile sulla reologia dell’insieme. Concludiamo quindi che la bridgmanite è l’unica fase minerale da considerare per modellare la deformazione del mantello in condizioni naturali, così lente da sfuggire alla nostra percezione sensibile, ma non a questi modelli!

Autore

Patrick CordierUniversità di Lilla