Svelare il mistero della formazione del nostro pianeta Understand article

Tradotto da Paolo Sudiro. Studiare la composizione chimica di alcune delle più antiche rocce del pianeta ha rivoluzionato la nostra comprensione del moccanismo di formazione dei continenti.

Immagine gentilmente
concessa da Reto Stöckli,
Nazmi El Saleous e Marit
Jentoft-Nilsen, NASA GSFC

Talvolta anche i più minuti frammenti di roccia possono nascondere grandi segerti. Le nostre recenti analisi chimiche di rocce africane ci hanno rivelato che i continenti che noi conosciamo possono avere iniziato a formarsi oltre un miliardo di anni prima di quanto si fosse precedentemente pensato.

Il nostro mondo è cambiato nel tempo

La Terra si è formata circa 4.6 miliardi di anni fa dai materiali presenti in una gigantesca nube molecolare chiamata nebulosa solare. La gravità provocò l’aggregazione di questo materiale in una sfera – la Terra, con la parte più densa a formare il nucleo e la parte meno densa il mantello. La crosta e la parte superiore del mantello – che insieme costituiscono la litosfera – formarono delle placche rigide, che si muovono orizzontalmente sulla più malleabile parte inferiore del mantello – l’astenosfera (figura 1).

Figura 1: Sia sotto la crosta oceanica (A) che sotto la crosta continentale (B) si trova il mantello, diviso in mantello superiore (C) e mantello inferiore (D), noto anche come astenosfera. Insieme, la crosta e la parte superiore del mantello formano la litosfera (E).

I movimenti delle placche tettoniche possono formare delle zone di subduzione, dove parte della litosfera (E) scende nell’astenosfera (D). La subduzione è un processo lento, che si verifica ad alta pressione (circa 10 kilobar) e una temperatura inferiore a 500 °C, con un gradiente termico minore di 15 °C a chilometro.
Immagine gentilmente concessa da Nicola Graf

La distribuzione di queste placche è cambiata drasticamente nel corso del tempo (figura 2). Da circa 2.5 a 4 miliradi di anni fa – durante il periodo noto come Eone Archeano – la litosfera era suddivisa in placche molto più piccole dei continenti odierni. In seguito, durante l’Eone Proterozoico, le placche si fusero tra loro, formando un grande supercontinente chiamato Pangea. Tradizionalmente si ritiene che questa situazione si sia verificata un miliardo di anni fa. Successivamente i continenti iniziarono ad allontanarsi tra loro, formando col tempo il pianeta come lo conosciamo oggi. Questa deriva finale è indicata come tettonica delle placche di tipo moderno e si ritiene che sia iniziata circa 900 milioni di anni fa.

Figura 2: L’evoluzione della litosfera dall’Archeano ai tempi moderni:

A) Durante l’Eone Archeano (da 4 a 2.5 miliardi di anni fa), la litosfera era suddivisa in un gran numero di piccole placche.

B) Si ritiene che circa 1 miliardo di anni fa, durante l’Eone Proterozoico, le placche si siano fuse insieme, formando una grande massa continentale: Pangea.
1: Eurasia; 2: Nord America; 3: Sud America; 4: Africa; 5: India; 6: Antaride; 7: Australia.

C) Quando i continenti iniziarono ad allontanarsi, essi formarono progressivamente il pianeta come lo conosciamo oggi. Tradizionaelmente si ritiene che questo fenomeno sia iniziato dopo l’Eone Proterozoico, circa 900 milioni di anni fa.
Immagini gentilmente concesse da Hervé Martin (A, C), Kieff / Wikimedia Commons (B)

Mentre si svolge questo processo, le placche collidono. Quando una placca si muove sotto l’altra ed affonda nel mantello si parla di subduzione (figura 1). La subduzione è un lento processo che si verifica ad alta pressione (circa 10 kilobar) e temperatura inferiore a 500°C, con un gradiente termico minore di 15°C a chilometro.

Verificare l’età delle rocce africane

Figura 3: Greenstone della
regione di Essakane nel
nord-est del Burkina Faso. In
primo piano si possono
vedere delle rocce vulcaniche,
note come basalti,
debolmente metamorfosate.

Immagine gentilmente
concessa da Lenka Baratoux

In effetti noi non eravamo partiti con l’obioettivo di indagare la tettonica delle placche. Lo scopo della nostra ricerca, invece, era l’utilizzo di una nuova tecnica per comprendere meglio come, circa 2 miliardi di anni fa, si sono formate delle rocce metamorfiche. Noi non ci aspettavamo che il nostro lavoro avrebbe avuto implicazioni per la tettonica delle placche, che in generale si riteneva fosse iniziata quasi 1 miliardo di anni dopo.

Per questa prima parte del nostro studio abbiamo visitato diverse centinaia di siti geologici in tutta l’Africa (figura 3) e raccolto campioni di greenstone (termine inglese che significa “pietre verdi”, a causa del loro tipico colore verdastro). Queste rocce sono note per essere state metamorfosate – avere cioè subito un cambiamento da un tipo di roccia ad un altro – circa 2 miliardi di anni fa. Basandoci sulle conoscenze precedenti riguardo al metamorfismo delle rocce di questo periodo, si pensava che dovessero essersi formate in condizioni di bassa pressione (non superiore a 5 kbar) e temperature variabili tra 200 e 700°C.

Figura 4: Mappatura chimica
di una roccia contenente
quarzo(A), granato (B),
fengite (C), clorite (D) e
ossidi di ferro (Ox).
L’immagine è stata ottenuta
all’ESRF, utilizzando fasci di
raggi X molto intensi.

Immagine gentilmente
concessa da Vincent de
Andrade

In seguito abbiamo studiato la composizione dei minerali di questi campioni di rocce utilizzando l’analisi alla microsonda. Questo è un insieme di analisi che comprendono microscopia ottica e osservazione al microscopio elettronico a scansione, che distingue gli elementi pesanti, che riflettono gli elettroni molto bene, dagli elementi leggeri che non lo fanno. Abbiamo anche eseguito una mappatura chimica, che mostra come particolari minerali sono distribuiti nel campione.

Figura 5: Dettagliata
mappatura chimica
qualitativa che mostra tre tipi
di ossidi di ferro: Ox1, che è
povero in Fe3+; Ox3, che è
ricco in Fe3+; e Ox2, che
possiede livelli intermedi di
Fe3+. L’immagine è stata
ottenuta all’ESRF utilizzando
fasci di raggi X molto intensi.

Immagine gentilmente
concessa da Vincent de
Andrade

Inoltre abbiamo condotto degli esperimenti presso lo European Synchrotron Radiation Facility (ESRF; vedi riquadro) per decifrare la finissima struttura chimica di alcuni dei nostri campioni. I fasci di raggi X del sincrotrone sono miliardi di volte più luminosi dei fasci prodotti da una macchina a raggi X ospedaliera, permettendo loro di risolvere la struttura della materia ad un livello di dettaglio impossibile da raggiungere con raggi X standard.

Studiando sottilissime sezioni di roccia siamo stati in grado di identificare la loro composizione chimica. Abbiamo scoperto che contengono quarzo, granato, fengite, clorite e ossidi di ferro (figure 4 e 5). Ma tutto questo che cosa ci dice riguardo al modo e alle condizioni in cui le rocce si sono formate?

Per interpretare i nostri risultati ci siamo serviti di analisi computerizzate basate sui diversi parametri chimici misurati. Per esempio, abbiamo consideraro il rapporto di H2O rispetto a CO2 nei fluidi intrappolati nel quarzo e misurato il rapporto di Fe3+ rispetto a Fe2+ presenti nelle rocce (figura 5). Ci sono molte tipi differenti di cloriti (ad esempio clorite di magnesio, clorite di ferro) e molte forme diverse di fengite (che può contenere, per esempio, magnesio o ferro). Il tipo specifico di cloriti e fengiti che noi osserviamo nelle rocce metamorfiche dipende dalle condizioni al momento della formazione della roccia. Queste sono i rapporti H2O:CO2 e Fe3+:Fe2+, come pure la pressione e la temperatura. Perciò, misurando i rapporti di questi diversi componenti chimici nei nostri campioni di rocce, possiamo procedere a ritroso e calcolare con esattezza le condizioni di pressione e temperatura di formazione delle rocce.

Rivoluzionare la nostra comprensione della tettonica delle placche

Per mezzo di questi calcoli abbiamo dimostrato che le composizioni della clorite e della fengite nelle rocce dell’Africa occidentale erano state prodotte ad alta pressione (circa 10 kbar) e temperature inferiori a 500°C. Questo era sorprendente, poiché queste condizioni di pressione e temperatura si trovano solo nelle zone di subduzione. Poiché le rocce che abbiamo studiato risalgono ad oltre 2 miliardi di anni, i nostri risultati implicano che la tettonica delle placche di tipo moderno esisteva già 2 miliardi di anni fa, di gran lunga prima di quanto avessero supposto gli scienziati in precedenza.

La nostra scoperta ha cambiato la comprensione scientifica della geodinamica terrestre. E allora quando iniziò, effettivamente, la tettonica delle placche di tipo moderno? E quanto erano diffusi questi giganteschi movimenti terrestri? Per rispondere a queste domande, il nostro prossimo passo sarà quello di studiare altre rocce della stessa età e più antiche. In particolare, pensiamo di visitare il Cratone di Yilgran in Australia e l’area di Barberton in Sud Africa, per esaminare le loro rocce metamorfiche contenenti clorite e fengite.
 

Ulteriori informazioni sull’ESRF

Lo European Synchrotron Radiation Facility (ESRFw1) è una delle più intense sorgenti di raggi X del mondo. Migliaia di scienziati vengono ogni anno all’ESRF per condurre esperimenti in scienza dei materiali, biologia, medicina, fisica, chimica, paleontologia e patrimonio strorico. ESRF è un membro di EIROforumw2, l’editore di Science in School.

Posto alle pendici delle Alpi
Francesi, lo European
Synchrotron Radiation
Facility impiega fasci
luminosi di raggi X per
risolvere la struttura della
materia. Un sincrotrone è un
tipo di acceleratore di
particelle anulare: all’ESRF, la
luce di sincrotrone viaggia a
grande velocità dentro un
gigantesco anello grigio.

Immagine gentilmente
concessa da Ginter / ESRF

Ringraziamenti

Gli autori desiderano ringraziare Dominique Cornuéjols, del dipartimento di comunicazioni dell’ESRF, per l’aiuto offerto per la preparazione e la traduzione del materiale per questo articolo.

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Web References

  • w1 – Impara dell’altro sull’ESRF.
  • w2 – EIROforum è una collaborazione di otto delle maggiori organizzazioni governative internazionali di ricerca scientifica europee, che combinano le loro risorse, strutture ed esperienza per permettere alla scienza europea di sviluppare tutto il suo potenziale. Come parte delle sue attività didattiche e di informazione, EIROforum pubblica Science in School.

Resources

Institution

ESRF

Author(s)

Il Dr Jérôme Ganne è responsabile di un programma di ricerca all’Istituto di Ricerca per lo Sviluppo (IRD) al GET Lab dell’Università di Tolosa III, in Francia, dove le sue ricerche sono focalizzate sui processi tettonici che controllano la formazione e lo smantellamento delle catene montuose. Insieme all’IRD ha riunito un gruppo di giovani ricercatori all’Università Cheikh Anta Diop di Dakar, in Senegal. Si occupa anche di insegnare in diversi programmi di educazione avanzata in università dell’Africa occidentale.

Dopo aver conseguito il PhD in Scienze della Terra, Vincent de Andrade è diventato beamline scientist allo European Synchrotron Radiation Facility. Nel 2010 è passato al National Synchrotron Light Source-II del Laboratorio Nazionale di Brookhaven come scienziato associato per costruire SRX, una beamline spettroscopica che comprende micro- e nanosonde estremamente intense. Vincent è specializzato nell’imaging chimico di geomateriali eterogenei complessi per comprendere meglio la loro genesi e le loro trasformazioni.


Review

Questo articolo riguardante le scoperte di due scienziati nel campo della tettonica delle placche offre un assaggio di ricerca avanzata. In uno stile chiaro e conciso gli autori guidano i loro lettori dalle fondamenta della tettonica delle placche all’oggetto della loro ricerca, concentrandosi sulle sue implicazioni per la storia della Terra e le nuove domande prodotte da queste scoperte.

Come scienziato della Terra trovo l’articolo interessante per varie ragioni:

  • Si concentra su un periodo della storia della Terra che è raramente affrontato nei testi scolastici.
  • Offre una visione interessante della tettonica delle placche ai suoi inizi.
  • Offre dettagli sulla metodologia e l’attrezzatura impiegate nella ricerca.
  • È un esempio vivido di metodo scientifico.

Io raccomando questo articolo per gli insegnanti della scuola secondaria desiderosi di interessare i loro studenti nelle scienze della Terra e la ricerca scientifica in generale. Potrebbe fornire un’utile lettura di base per accrescere l’interesse degli studenti prima di affrontare alcuni argomenti abitualmente considerati noiosi, come i minerali e la tettonica delle placche.

Il testo offre molteplici collegamenti non solo con argomenti di scienze della Terra (storia della Terra, tettonica delle placche, mineralogia, il ciclo delle rocce, geochimica, tecniche di indagine, Africa, greenstone belt e miniere d’oro), ma anche con la chimica (ossidi di ferro e reazioni di ossidoriduzione) e fisica (raggi X e macchine di radiazione di sincrotrone, microscopia elettronica a scansione, pressione, temperatura e transizioni di fase). Inoltre costituisce un ottimo argomento per una discussione sul metodo scientifico.

Dato il linguaggio in cui è scritto, l’articolo potrebbe essere facilmente impiegato per esercizi di comprensione, come ad esempio:

  1. I minerali studiati si sono formati in condizioni di:
    1. Alta pressione (10 kbar) e bassa temperatura (meno di 500 °C)
    2. Bassa pressione (5 kbar) e alta temperatura (oltre 700 °C)
    3. Bassa pressione (5 kbar) e temperature comprese tra 200 e 700 °C
    4. Alta pressione (10 kbar) e temperature comprese tra 200 e 700 °C.
  2. La composizione dei diversi tipi di clorite e fengite dipende da:
    1. Il rapporto tra H2O e CO2
    2. Il rapporto tra Fe2+ e Fe3+
    3. Temperatura e pressione di formazione
    4. Tutte le condizioni elencate sopra.

Giulia Realdon, Italia




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