Alla scoperta della chimica e della mineralogia dell’interno della Terra attraverso lo studio dei diamanti super-profondi

Università di Roma La Sapienza 01 Set 2020
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Pubblicato su PNAS lo studio di un team internazionale, a cui ha preso parte Vincenzo Stagno del Dipartimento di Scienze della Terra, che fornisce informazioni uniche riguardo la composizione chimica e mineralogica degli strati profondi della Terra, partendo da una microscopica sequenza di minerali scoperta all’interno di un diamante.


Decenni di studi sperimentali in ambito petrologico e mineralogico hanno portato alla scoperta di importanti minerali costituiti per lo più da magnesio, ferro, silicio e ossigeno (wadsleyite, ringwoodite, bridgmanite e ferropericlasio) e considerati essere rappresentativi della composizione mineralogica del pianeta a profondità maggiori di 400 km.

Attraverso simulazioni in laboratorio delle condizioni primordiali di pressione (mediamente sino a 250000 atmosfere) e temperatura (1600-2200 °C) è stato dimostrato che questi minerali furono tra i primi a formarsi man mano che il nucleo terrestre – una lega di ferro e nichel – solidificava a seguito del raffreddamento della palla di magma che costituiva il nostro pianeta più di 4.5 miliardi di anni fa. Eppure, la composizione chimica dell’interno della Terra risulta ancora poco nota, a causa delle scarse e complesse “osservazioni” dirette dei minerali intrappolati in quella che oggi risulta la materia proveniente dalle maggiori profondita’ della Terra, il diamante.

Oggi un nuovo studio internazionale coordinato da Chiara Anzolini dell’Università di Padova, a cui ha collaborato Vincenzo Stagno del Dipartimento di Scienze della Terra della Sapienza, ha analizzato diamanti super-profondi molto rari, scoprendo al loro interno alcune micro-inclusioni di minerali contenenti ferro a differenti stati di ossidazione (ferro metallico, ferroso e ferrico).

“Le inclusioni di minerali presenti all’interno del diamante - spiega Vincenzo Stagno - proprio perché contenenti ferro con vari stati di ossidazione, suggeriscono il verificarsi di una perturbazione chimica, nota come fronte redox, in profondità dovuta all’interazione del mantello della Terra con porzioni maggiormente ossigenate, probabilmente dovute al processo di subduzione terrestre. È proprio in queste porzioni che possono cristallizzare minerali scoperti in laboratorio ma ritenuti rari o sconosciuti in natura”.

Inoltre, quando porzioni di crosta ricche in ossigeno arrivano in profondità si innescano reazioni chimiche che da un lato provocano l’arrugginimento del ferro contenuto nei minerali presenti e dall’altro causano la formazione di diamanti, mostrando quanto dinamica sia la Terra al suo interno. In altre parole, i diamanti sono solo il risultato della precipitazione di carbonio a seguito della privazione di ossigeno da parte dei minerali ricchi in ferro.

Il team di ricercatori ha decifrato una sequenza di minerali ferriferi all’interno del diamante super-profondo per poi scoprire, grazie all’analisi dei rapporti volumetrici dei diversi elementi, che la loro formazione è legata alla decomposizione di un minerale la cui formula chimica poteva solo essere Fe4O5. La scoperta di un minerale come Fe4O5 apre nuovi scenari circa la composizione chimica e mineralogica del mantello profondo della Terra e funge da ispirazione per ulteriori studi sperimentali.

“I minerali costituiti da ossidi di ferro sono molto studiati nella maggior parte delle discipline scientifiche, poiché influenzano direttamente l’evoluzione planetaria, la vita e la tecnologia per via delle loro proprietà magnetiche. Basti pensare - sottolineano Chiara Anzolini e Vincenzo Stagno - alla formazione del nucleo terrestre, all'utilizzo del ferro nell'antichità, e all’impiego dei magneti”.

Questo studio dimostra come importanti informazioni riguardo la composizione chimica e mineralogica dell’interno della Terra provengano dall’attento studio dei rari diamanti super profondi.

“La geologia ha come obiettivo principale quello di comprendere la composizione chimica e mineralogica del nostro pianeta dalla superficie fino alle sue grandi profondità attraverso sia lo studio delle rocce naturali che dei minerali riprodotti sperimentalmente”, conclude Stagno - “A tal fine da un paio di anni ho istituito il corso di Geologia dei diamanti che oltre a fornire nozioni sulle tecniche sperimentali di avanguardia illustra agli studenti una visione più recente della natura dell’interno della Terra. Insomma, un nuovo viaggio al centro della Terra”.

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