Tettonica delle placche: una nuova storia raccontata dallo xenon

Dallo scambio di composti volatili quali l’acqua, il carbonio, l’azoto e i gas nobili tra le profondità della Terra e la sua superficie dipende l’abitabilità del nostro pianeta. I cambiamenti a cui quest’ultimo è andato incontro sono stati tanti nel corso dei suoi 4,5 miliardi di anni, incluso l’aver iniziato a incorporare e conservare i suddetti composti volatili prima di rimetterli in circolo in superficie attraverso le eruzioni vulcaniche. Col passare dei millenni, queste sostanze sono passate dall’atmosfera al mantello, quello strato della Terra che si trova subito sotto la crosta terrestre e che arriva a ridosso del nucleo, a circa 2900 chilometri di profondità. Ciò che abbiamo appena descritto fa parte del fenomeno di subduzione. Di cosa si tratta? Perché è importante capire quando questo processo abbia avuto inizio? Ce lo spiega un articolo pubblicato su Nature da due ricercatori, Rita Parai e Sujoy Mukhopadhyay, rispettivamente della Washington University e della University of California, Davis.

La teoria della tettonica delle placche

Quella della tettonica delle placche è la teoria che spiega l’evoluzione della litosfera, il guscio più esterno del nostro pianeta, che è fratturata in elementi più piccoli, detti placche o zolle. Quest’ultime si muovono l’una rispetto all’altra a causa dei moti convettivi che avvengono nel mantello.
Le placche possono, quindi, allontanarsi, scorrere o scontrarsi. A seconda dei movimenti a cui vanno incontro, i margini delle zolle possono essere rispettivamente classificati come:

• margini divergenti, dove vi è l’allontanamento di due placche e risalita di magma dal mantello con conseguente formazione di nuova crosta, in corrispondenza delle dorsali oceaniche;
• margini trascorrenti, in cui lungo i quali due zolle scivolano orizzontalmente l’una rispetto all’altra, senza formazione o distruzione di litosfera;
• margini convergenti, lungo i quali due placche si muovono l’una verso l’altra e avviene il fenomeno della subduzione.

Cos’è la subduzione delle placche?

In geologia, nell’ambito della tettonica delle placche, la subduzione è definita come il movimento discendente della litosfera, lo strato che comprende la crosta terrestre e la parte superiore del mantello. In particolare, in questo processo la litosfera di tipo oceanico si incunea all’interno dell’astenosfera, la parte del mantello che si trova subito sotto la litosfera.

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Questo fenomeno è caratteristico dei margini convergenti, ossia quelli in corrispondenza dei quali due placche litosferiche si muovono una verso l’altra: quando le due zolle sono a contatto, se il movimento che le spinge non si ferma, quella oceanica si incunea sotto l’altra e sprofonda verso l’astenosfera determinando, quindi, la subduzione.

Perché questo processo è così importante?

Quando una zolla subduce, porta con sé composti volatili di cui il mantello si arricchisce sottraendoli all’atmosfera: il mantello avrà acquisito dei gas che solo in seguito rientreranno in superficie e nell’atmosfera attraverso le eruzioni vulcaniche (fenomeno di degassamento del mantello). L’equilibrio tra i due processi risulta fondamentale per la vita sul nostro pianeta. Nel comunicato ufficiale relativo alla pubblicazione dell’articolo su Nature, in cui si è cercato di dare una data di inizio al fenomeno di subduzione, Rita Parai, professoressa di geochimica e autrice dello studio, ha spiegato: “La vita sulla Terra è legata ai cambiamenti del bilancio di composti volatili in superficie. E c’è un’interazione tra cosa le profondità della Terra stanno facendo e come l’ambiente in superficie sia cambiato in una scala di tempi di miliardi di anni”. Come abbiamo già accennato, da una parte i composti volatili, come l’acqua, l’anidride carbonica e i gas nobili, fuoriescono dal mantello attraverso il vulcanismo o, dall’altra, possono essere iniettate all’interno della Terra dall’atmosfera. Da questo scambio dipende l’abitabilità del Pianeta, in quanto determina la disponibilità in superficie di sostanze da cui dipende l’esistenza degli esseri viventi.

Lo xenon, testimone dell’evoluzione della Terra

Tra i composti volatili abbiamo nominato i gas nobili e tra essi vi è lo xenon, utilizzato come tracciante delle antiche dinamiche terrestri. Questo elemento ha in natura 9 isotopi stabili la cui abbondanza in atmosfera si è modificata nel tempo. Alcuni di questi isotopi sono radiogenici, continuamente prodotti da decadimenti e fissioni di nuclei radioattivi all’interno del mantello. Essendo un gas nobile, lo xenon non reagirà con le altre sostanze presenti sulla Terra, e questa è una proprietà molto utile per gli studiosi perché ne possono misurare il frazionamento ed essere sicuri che dipende solo da processi fisici e non anche da quelli chimici. Nella nuova ricerca, gli scienziati hanno sviluppato un modello dell’arricchimento in gas e del degassamento del mantello adoperando gli isotopi dello xenon come traccianti. “Lo xenon è uno straordinario tracciante dei composti volatili perché tutti i minerali che contengono acqua, contengono anche xenon”, ha affermato Parai.

Quando è iniziata la subduzione sul nostro pianeta?

È stata utilizzata così la sistematica degli isotopi dello xenon del mantello per trovare una data limite per l’inizio dell’arricchimento in composti volatili delle profondità della Terra e gli studiosi hanno calcolato che il riciclo dello xenon atmosferico nel mantello non è avvenuto prima di 2,5 miliardi di anni fa.
Questo però non vuol dire che quella è la data delle prime subduzioni. Ulteriori calcoli hanno permesso di ipotizzare che, in precedenza, lo xenon non rimaneva all’interno del mantello ma ne veniva espulso quasi immediatamente, così come l’acqua, probabilmente perché le temperature erano molto più alte. Solo quando l’interno della Terra si è raffreddato sufficientemente le sostanze volatili hanno incominciato a rimanere nelle zolle subdotte invece che essere rilasciati in superficie attraverso il magmatismo, dando inizio all’arricchimento in gas del mantello. Per i primi miliardi di anni, quindi, le placche sono tornate dalla crosta terrestre al mantello senza portare acqua, o perché l’acqua veniva in qualche modo espulsa nel processo di subduzione o perché l’antica crosta non ne conteneva. La mancanza di acqua nel mantello terrestre dell’Archeano (4-2,5 miliardi di anni fa) permetteva probabilmente un moto convettivo più lento e una diminuzione del trasporto di calore fuori dal mantello, un’informazione rilevante per la comprensione dell’evoluzione termica dell’interno del Pianeta.
Parai ha affermato: “La maggior parte delle persone raramente ha occasione di pensare ai composti volatili intrappolati nell’interno della Terra. Sono presenti in concentrazioni basse ma il mantello è enorme in termini di massa. Quindi per il bilancio totale di composti volatili sulla Terra, il mantello è un’importante serbatoio”.

Se siete curiosi e desiderate conoscere qualcosa in più della storia della Terra, acquistate e leggete l’articolo di Paolo Galli, “Il libro dei terremoti scritto nelle rocce”, pubblicato nel numero di giugno 2018 di Sapere.

Aggiornamento del 04/10/2018: l’articolo originale non presentava il primo paragrafo sulla teoria della tettonica delle placche.

REDAZIONE

La Redazione del sito saperescienza.it è curata da Micaela Ranieri dal 2019, in precedenza hanno collaborato Stefano Pisani e Alessia Colaianni.