Viaggio al centro della terra con i gas magmatici

volatili intrappolati nel mantello terrestre conservano traccia dell’evoluzione del nostro pianeta, di cui una parte è proveniente da asteroidi, vale a dire da corpi planetari i cui resti sono oggi situati tra Marte e Giove. Al contrario, i gas nobili nell’atmosfera hanno diversa origine cosmochimica, probabilmente da comete. Questi i risultati emersi dallo studio, Chondritic xenon in the Earth’s mantle, condotto dall’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) e Université de Lorraine, sui gas magmatici campionati nella complesso vulcanico dell’Eifel (Germania), contribuendo a rivelare l’origine di elementi volatili sulla Terra, recentemente pubblicato su Nature.
“L’origine dei volatili (es. gas) sulla Terra”, spiega Antonio Caracausi, ricercatore dell’INGV, “è un argomento di notevole dibattito nelle scienze planetarie. L’atmosfera e gli oceani possono aver subito forti perturbazioni sia per la perdita di volatili nello spazio sia per la loro aggiunta da corpi ricchi in volatili (come asteroidi, comete): il che significa che le composizioni attuali non sono rappresentative delle componenti originali. Tuttavia, i gas intrappolati nel mantello terrestre possono essere rimasti isolati da questi eventi, conservando traccia dell’evoluzione della Terra”.
Il team di ricercatori ha studiato la composizione isotopica dello xenon (Xe) in campioni di gas di origine magmatica. I gas nobili, tra cui lo xenon e i suoi nove isotopi, sono elementi chimicamente inerti che possono essere usati per tracciare i processi fisici, senza dover anche considerare reazioni chimiche, che si svolgono all’interno della Terra (nucleo, mantello, crosta) e nell’atmosfera.
“Questo studio ha dato anche la possibilità di evidenziare che il vulcanismo della regione dell’Eifel trova la sua origine proprio nel mantello profondo che è stato isolato, per la maggior parte della storia della Terra, nonostante i processi convettivi nel mantello terrestre. La scoperta dell’origine di questi volatili, che si possono anche definire fossili, da un contributo a una migliore comprensione dell’origine dell’acqua e di altre specie di supporto alla vita sulla Terra”, prosegue Caracausi.
La Terra si è formata circa 4,54 miliardi di anni fa. Da quel momento, il nostro pianeta è in continua evoluzione, sperimentando numerosi eventi nella sua storia, tra cui la formazione del nucleo, la differenziazione del mantello, la produzione di crosta oceanica e continentale, il riciclo della crosta nel mantello, nuove aggiunte di elementi volatili da comete e/o asteroidi.
A causa di questi numerosi processi, l’origine degli elementi volatili della Terra (idrogeno, acqua, carbonio, azoto e gas nobili) rimane enigmatica, ed è difficile determinare se hanno avuto origine dal gas, che è rimasto intrappolato dopo la formazione del sistema solare (nebulosa solare), o da corpi differenziati, come gli asteroidi, che possono essere entrati in collisione con la proto-Terra.
In questo studio sono state analizzate le abbondanze isotopiche del gas nobile xenon in campioni di gas ricchi di CO2 (99,8%), emessi nella regione vulcanica dell’Eifel (Germania) (foto 1 e 2). Grazie ad avanzate tecniche di purificazione, è stato possibile separare lo Xe dalla CO2 e da altri componenti volatili, permettendo così di misurare con elevata precisione la sua abbondanza e la composizione isotopica. I ricercatori hanno accertato che gli isotopi leggeri dello Xe (124-128Xe) nel mantello terrestre sono stati portati sulla Terra da corpi affini ad asteroidi. Lo Xe nell’atmosfera ha, invece, origine da una diversa sorgente (ancora non bene identificata). Da qui l’idea che almeno due distinte sorgenti hanno contribuito all’origine degli elementi volatili sulla Terra, una per il mantello, un’altra per l’atmosfera. Gli isotopi pesanti dello Xe (129Xe e 131-136Xe), i cui eccessi sono prodotti da decadimento radioattivo, nei campioni di gas prelevati nella regione dell’Eifel, dimostrano che questo gas è “molto vecchio” e che la loro sorgente rimase isolata dal resto del mantello circa 4,45 miliardi di anni fa. Di conseguenza, il mantello in questa regione è stato in grado di preservare l’originario segnale isotopico, nonostante i processi convettivi.
“Grazie a un modello di calcolo numerico”, conclude Caracausi, “è stato possibile quantificare i diversi contributi da decadimento radioattivo e i risultati ottenuti sono in accordo con studi precedenti su volatili emessi in altre regioni vulcaniche oceaniche, caratterizzate dalla presenza di Plume nel mantello terrestre. Identificati come risalite di porzioni del mantello profondo fino a raggiungere la superficie della Terra, questi Plume sono responsabili di importanti edifici vulcanici come le isole Hawaii e l’Islanda. I nuovi risultati suggeriscono, che un Plume mantellico è presente nell’Europa centrale e ha influenzato il magmatismo dell’Eifel.