Un nuovo studio sfida la teoria dell’ossidazione del mantello

Gli scienziati dello Smithsonian stanno conducendo nuove ricerche sulle antiche rocce “capsula del tempo”, risalenti ad almeno 2,5 miliardi di anni fa.

I ricercatori del Museo Nazionale di Storia Naturale dello Smithsonian hanno condotto una nuova analisi di rocce che si ritiene abbiano almeno 2,5 miliardi di anni, facendo luce sulla storia chimica del mantello terrestre, lo strato sotto la crosta del pianeta. Le loro scoperte migliorano la nostra comprensione dei processi geologici più antichi della Terra e contribuiscono a un dibattito scientifico di lunga data sulla storia geologica del pianeta. In particolare, lo studio fornisce la prova che lo stato di ossidazione della maggior parte del mantello terrestre è rimasto stabile nel corso del tempo geologico, sfidando le precedenti affermazioni di altri ricercatori sulle principali trasformazioni.

“Questo studio ci dice di più su come questo posto speciale in cui viviamo sia diventato quello che è ora, con la sua superficie e i suoi interni unici che hanno permesso l’esistenza della vita e dell’acqua liquida”, ha affermato Elizabeth Cottrell, capo della divisione di mineralogia del museo, curatore della National Rock Collection e coautore dello studio. “Fa parte della nostra storia di esseri umani perché tutte le nostre origini risalgono a come si è formata la Terra e a come si è evoluta”.

Lo studio è stato pubblicato sulla rivista natura, si concentra su un gruppo di rocce raccolte dal fondale marino che possiedono proprietà geochimiche insolite. Nello specifico, le rocce mostrano segni di estrema dissoluzione con livelli di ossidazione molto bassi; L’ossidazione è quando mais Oppure una molecola perde uno o più elettroni in una reazione chimica. Con l’aiuto di ulteriori analisi e modelli, i ricercatori hanno utilizzato le proprietà uniche di queste rocce per dimostrare che probabilmente risalgono ad almeno 2,5 miliardi di anni fa, durante il periodo Archeano. Inoltre, i risultati mostrano che il mantello terrestre ha generalmente mantenuto uno stato di ossidazione stabile da quando si sono formate queste rocce, contrariamente a quanto avevano precedentemente ipotizzato altri geologi.

Un’antica roccia è stata estratta dal fondale marino e studiata dal gruppo di ricerca. Credito fotografico: Tom Kleindienst

“Le rocce antiche che abbiamo studiato sono 10.000 volte meno ossidate delle tipiche rocce del mantello moderno, e forniamo la prova che ciò è dovuto allo scioglimento in profondità della Terra durante l’era Archeana, quando il mantello era più caldo di oggi”, ha detto Cottrell. Altri spiegano i livelli più elevati di ossidazione osservati oggi nelle rocce del mantello suggerendo che si sia verificato un evento di ossidazione o alterazione tra l’Archeano e oggi. “Le nostre prove suggeriscono che la differenza nei livelli di ossidazione può essere spiegata semplicemente dal fatto che il mantello terrestre si è raffreddato nel corso di miliardi di anni e non è più abbastanza caldo da produrre rocce con livelli di ossidazione così bassi”.

Evidenze geologiche e metodologia di studio

Il gruppo di ricerca, tra cui l’autrice principale dello studio Susan Berner, che ha completato una borsa di studio pre-dottorato presso il Museo Nazionale di Storia Naturale ed è ora assistente professore al Berea College nel Kentucky, ha iniziato le sue indagini per comprendere la relazione tra il mantello solido della Terra e i moderni strati vulcanici. rocce sul fondo del mare. I ricercatori hanno iniziato studiando un gruppo di rocce scavate dal fondale marino in corrispondenza di due dorsali oceaniche dove le placche tettoniche divergono e il mantello si sposta in superficie e produce nuova crosta.

I due luoghi da cui sono state raccolte le rocce studiate, la catena montuosa Jackyll vicino al Polo Nord e la catena montuosa dell’India sud-occidentale tra Africa e Antartide, sono tra i confini delle placche tettoniche a diffusione più lenta nel mondo. Il ritmo lento di propagazione su queste dorsali oceaniche significa che sono relativamente silenziose, dal punto di vista vulcanico, rispetto alle dorsali vulcaniche a più rapida diffusione come la dorsale del Pacifico orientale. Ciò significa che le rocce raccolte da queste creste a lenta diffusione sono probabilmente campioni del mantello stesso.

La poppa della nave da ricerca R/V Knorr in mare nel 2004. Lo scafo a forma di A contiene il gigantesco secchio di metallo e la catena che viene calato a più di 10.000 piedi sotto la superficie dell’oceano e trascinato lungo il fondo del mare per raccogliere campioni geologici. Diritto d’autore: Emily Van Ark

Quando il team ha analizzato le rocce del mantello raccolte da queste due creste, ha scoperto che condividevano strane proprietà chimiche. In primo luogo, le rocce si erano sciolte in misura molto maggiore di quella tipica delle rocce del mantello odierno. In secondo luogo, le rocce erano molto meno ossidate rispetto alla maggior parte degli altri campioni di rocce del mantello.

Per raggiungere questo elevato grado di fusione, i ricercatori hanno concluso che le rocce devono essersi sciolte in profondità nel terreno a temperature molto elevate. L’unico periodo della storia geologica della Terra noto per includere temperature così elevate è stato tra 2,5 e 4 miliardi di anni fa, durante l’Eone Archeano. Pertanto, i ricercatori hanno concluso che queste rocce del mantello probabilmente si sciolsero durante l’Eone Archeano, quando la temperatura dell’interno del pianeta era compresa tra 360 e 540 gradi. F (200-300 gradi Centigrado) più caldo di oggi.

Il fatto che siano altamente solubili proteggerebbe queste rocce da un’ulteriore fusione che potrebbe modificarne la firma chimica, consentendo loro di circolare nel mantello terrestre per miliardi di anni senza modificare in modo significativo la loro chimica.

“Questo fatto da solo non prova nulla, ma apre la porta alla possibilità che questi campioni servano come vere e proprie capsule temporali geologiche risalenti all’era Archeana”, ha detto Cottrell.

Spiegazione scientifica e approfondimenti

Per esplorare scenari geochimici che potrebbero spiegare i bassi livelli di ossidazione delle rocce raccolte a Jackel Ridge e nel sud-ovest dell’Indian Ridge, il team ha applicato più modelli alle loro misurazioni. I modelli hanno rivelato che i bassi livelli di ossidazione misurati nei loro campioni erano probabilmente causati dalla fusione in condizioni estremamente calde nelle profondità della Terra.

Entrambe le linee di prova hanno supportato l’interpretazione secondo cui le proprietà atipiche delle rocce rappresentano una firma chimica risultante dalla fusione in profondità all’interno della Terra durante l’Archeano, quando il mantello era in grado di produrre temperature estremamente elevate.

In precedenza, alcuni geologi interpretavano le rocce del mantello con bassi livelli di ossidazione come prova che il mantello archeano era meno ossidato e che attraverso qualche meccanismo si era ossidato di più nel tempo. I meccanismi di ossidazione proposti includono un aumento graduale dei livelli di ossidazione dovuto alla perdita di gas nello spazio, al riciclaggio dell’antico fondale marino mediante subduzione e al continuo coinvolgimento del nucleo terrestre nella chimica del mantello. Ma finora i sostenitori di questo punto di vista non sono d’accordo su alcuna singola spiegazione.

Invece, le nuove scoperte supportano l’ipotesi che il livello di ossidazione nel mantello terrestre sia rimasto in gran parte costante per miliardi di anni, e che la bassa ossidazione osservata in alcuni campioni del mantello sia dovuta a condizioni geologiche che la Terra non può più produrre a causa del suo mantello. da allora si è raffreddato. Quindi, invece di qualche meccanismo che costituisce il mantello terrestre Di più ossidato nel corso di miliardi di anni, e il nuovo studio afferma che le alte temperature nell’era Archeana hanno reso parti del mantello meno Poiché l’atmosfera terrestre si è raffreddata a partire dall’era Archeana, non è più in grado di produrre rocce con livelli di ossidazione molto bassi. Cottrell sostiene che il processo di raffreddamento dell’atmosfera terrestre fornisce una spiegazione molto più semplice: la Terra semplicemente non produce più rocce come in passato.

Cottrell e i suoi colleghi stanno ora cercando di comprendere meglio i processi geochimici che hanno formato le rocce del mantello archeano della catena Jackyll e della catena indiana sud-occidentale, simulando in laboratorio le pressioni e le temperature estremamente elevate riscontrate negli Archaea.

Riferimento: “Fusione profonda, calda, antica registrata da un’ossigenazione estremamente bassa nella peridotite” di Susan K. Berner, Elizabeth Cottrell e Fred A. Davis e Jessica M. Warren, 24 luglio 2024, natura.
doi: 10.1038/s41586-024-07603-s

Oltre a Berner e Cottrell, lo studio è stato scritto in collaborazione con Fred Davis dell’Università del Minnesota Duluth e Jessica Warren dell’Università del Delaware.

La ricerca è stata sostenuta dallo Smithsonian Institution e dalla National Science Foundation.