Diamanti e ruggine al confine tra mantello e nucleo terrestre

Il nucleo della Terra è il più grande deposito di carbonio del pianeta dal momento che circa il 90 per cento risulta presente in quella zona.

Gli scienziati hanno dimostrato che la crosta oceanica che si trova sopra le placche tettoniche e si immerge al di sotto di esse durante i processi di subduzione, contiene minerali idrati e talvolta può scendere fino al confine nucleo-mantello, dove la temperatura della lava è più calda del doppio e sufficientemente elevata da consentire il rilascio di acqua dai minerali idrati.

Pertanto, al confine tra nucleo e mantello terrestre potrebbe verificarsi una reazione chimica simile a quella che produce acciaio arrugginito.

Byeongkwan Ko, ricercatore della Arizona State University (ASU), assieme ad altri colleghi, ha pubblicato sulla rivista Geophysical Research Letters. i risultati di una ricerca sulla zona di confine nucleo-mantello.

Lo studio è stato condotto presso l’Advanced Photon Source dell’Argonne National Laboratory nell’Illinois, dove si è provveduto a comprimere una lega ferro-carbonio e acqua alla pressione e alla temperatura che si presumono esser presenti nella zona nucleo-mantello, fino a raggiungere la fusione.

I ricercatori hanno accertato che acqua e metallo reagiscono, producendo ossidi e idrossidi di ferro, proprio come accade nella formazione della ruggine sulla superficie terrestre.

A causa delle condizioni estreme di questa zona poi, il carbonio si trasforma in diamante.

“La temperatura, al confine mantello silicatico – nucleo metallico, a 3000 chilometri di profondità, raggiunge più di 3780 gradi centigradi, sufficientemente alta perchè la maggior parte dei minerali perda l’acqua contenuta nei reticoli atomici”, afferma Dan Shim, docente della Scuola di esplorazione della Terra e dello spazio dell’ASU.

Dal momento che il carbonio è un elemento che ‘predilige’ il ferro, si ritiene che il mantello abbia un contenuto in carbonio prevalentemente basso. E invece gli studiosi statunitensi hanno scoperto che nel mantello c’è più carbonio del previsto.

“Alla pressione calcolata nella zona di confine nucleo-mantello, la lega di idrogeno con il liquido di ferro metallico sembra che riduca la solubilità di altri elementi leggeri presenti nel nucleo”, sostiene Shim. “Quindi, la solubilità del carbonio presente nel nucleo diminuisce localmente laddove l’idrogeno entra nel nucleo dal mantello a seguito di disidratazione.

La forma stabile del carbonio alle condizioni di pressione e temperatura di questa zona è il diamante. Pertanto, se ne deduce che il carbonio che fuoriesce dal nucleo esterno liquido, quando entra nel mantello, diventa diamante”.

Il carbonio è un elemento essenziale per la vita e svolge un ruolo importante in molti processi geologici”, afferma Ko. “Questa nuova scoperta del meccanismo di trasferimento di carbonio dal nucleo al mantello potrà portare ad una migliore comprensione del ciclo del carbonio nelle profondità della Terra. Si tratta di un lungo processo che potrebbe aver richiesto di miliardi di anni dall’inizio dei processi di subduzione sul pianeta”.

Il nuovo studio di Ko mostra che il carbonio che esce dal nucleo e passa al mantello con questo processo di formazione del diamante può fornire sufficiente carbonio da spiegare le elevate quantità di questo elemento nel mantello.

Ko e il suo team hanno anche ipotizzato che strutture ricche di diamanti possano esistere al confine nucleo-mantello e che gli studi sismici potrebbero rilevare queste strutture perchè solo attraverso di loro le onde sismiche possono viaggiare insolitamente veloci come è stato rilevato.

“Il motivo per cui le onde sismiche aumenterebbero la loro velocità nelle strutture diamantifere risiede nel fatto che il diamante è estremamente incomprimibile e meno denso di altri materiali, presenti al confine nucleo-mantello”, assicura Shim.

Lo studio di queste reazioni profonde continuano perchè gli studiosi vogliono approfondire come i cambiamenti di altri elementi leggeri del nucleo possano influenzare la mineralogia del mantello profondo.