Per un gioielliere sono un difetto: sono le cosiddette inclusioni, quei minuscoli cristalli di altri minerali rimasti imprigionati nel diamante mentre cresceva, e che riducono il grado di purezza della pietra (e di conseguenza anche il valore). Per un geologo, invece, sono la parte più preziosa: frammenti di roccia che arrivano direttamente dalle viscere della Terra, a centinaia di chilometri di profondità, e da un passato lontanissimo. Ora un gruppo internazionale coordinato da Vincenzo Stagno del Dipartimento di Scienze della Terra della Sapienza Università di Roma, con ricercatori di istituti tedeschi, russi e cinesi, ha analizzato diciannove diamanti siberiani, per ricostruire la storia del nostro pianeta. La domanda di fondo, in particolare, era: quanto ossigeno c’era nel mantello terrestre durante l’Archeano, l’eone che si chiude 2,5 miliardi di anni fa? Lo studio, pubblicato su Science Advances, è firmato da Giulia Marras, oggi alla KU Leuven, in Belgio.
Diamanti come capsule del tempo
I diamanti studiati provengono dalla Yakuzia, nella Siberia orientale, dai camini kimberlitici di Udachnaya, Mir, Komsomolskaya, Nyurbinskaya e Internatsionalnaya e dai depositi alluvionali di Ebelyakh. Appartengono alla famiglia dei diamanti cosiddetti eclogitici, perché si sono formati all’interno di eclogiti: rocce che derivano da un’antica crosta oceanica basaltica, trascinata in profondità nel mantello dalla subduzione delle placche. Le eclogiti siberiane si sono formate tra 2,9 e 2,7 miliardi di anni fa. Tra questi diciannove esemplari ce n’era uno particolare, ancora attaccato alla roccia in cui si era formato. Un caso raro, che ha permesso di confrontare direttamente ciò che il cristallo ha protetto per miliardi di anni con ciò che è rimasto esposto.
Ma perché studiare i diamanti per ricostruire la storia della Terra? A differenza delle eclogiti che arrivano in superficie, e che hanno trascorso miliardi di anni immerse nel mantello, attraversate da fluidi che ne hanno modificato la chimica, i minerali rimasti intrappolati nei diamanti sono stati isolati fin dal momento in cui il cristallo li ha inglobati. “Questi diamanti funzionano come vere e proprie capsule del tempo, proteggendo minerali di grandissima rilevanza”, spiega Stagno. “Hanno registrato e tramandato la chimica di un mantello che oggi non esiste più”. Non è certo quando si siano formati i diamanti stessi, e su questo punto la letteratura è ancora divisa. Ma l’analisi cristallografica e geochimica indica che le inclusioni sono più antiche del diamante che le contiene: frammenti della roccia preesistente, e quindi con ogni probabilità archeani come le eclogiti da cui provengono.
Leggere l’ossigeno nel ferro
Per capire quanto fosse “ossidato” il mantello, i ricercatori hanno misurato una grandezza che si chiama fugacità dell’ossigeno: in sostanza, quanto ossigeno è disponibile per le reazioni chimiche all’interno di una roccia. Il primo indicatore è il ferro, che può trovarsi in forma più o meno ossidata. I ricercatori hanno levigato dieci diamanti fino a far affiorare le inclusioni e, al sincrotrone europeo ESRF di Grenoble, hanno misurato quanta parte del ferro fosse ossidata. Insieme alla composizione dei minerali, questo dato permette di ricostruire profondità, temperatura e ossigeno disponibile al momento della formazione. Ne emerge che i diamanti si sono formati tra 180 e 280 chilometri di profondità, a temperature fra circa 1030 e 1540 °C, a partire da fluidi che contenevano acqua, anidride carbonica e metano.
La memoria del vanadio
Il ferro, però, registra soprattutto le vicende successive, dalla subduzione in poi. Per risalire al mantello d’origine serve un secondo testimone, il vanadio: la sua quantità nella roccia dipende dall’ossigeno presente nel mantello quando, fondendo in parte, ha dato origine al magma, e da allora cambia pochissimo. È la prima volta, secondo gli autori, che i due indicatori vengono confrontati sulle stesse inclusioni.
Qui entra in gioco il diamante rimasto attaccato alla sua roccia madre. Le inclusioni sigillate e la roccia ospite, pur alterata nel tempo, mostrano lo stesso stato di ossidazione e quasi lo stesso contenuto di vanadio: il segno che il vanadio conserva fedelmente la memoria delle origini. In un altro diamante ferro e vanadio danno risultati quasi identici, a conferma che lo stato di ossidazione originario si è mantenuto dal mantello profondo fino all’arrivo della roccia sotto il continente.
Un mantello non uniforme
Il risultato è che la crosta oceanica studiata è nata da un mantello con molto meno ossigeno disponibile di quello attuale: a parità di condizioni, da trenta a cento volte meno. In un ambiente simile il carbonio dei magmi primitivi sarebbe stato legato soprattutto al metano, più che all’anidride carbonica.
La stima si basa però su due soli campioni, con margini di errore ampi. E poiché altri studi hanno trovato tracce di un mantello archeano più ossidato, gli autori concludono che lo scenario più realistico sia un interno terrestre a mosaico, con zone più e meno ricche di ossigeno.
“Le inclusioni nei diamanti sono l’unico geomateriale che ci arriva intatto da centinaia di chilometri di profondità e da miliardi di anni fa – commenta Fabrizio Nestola, professore ordinario di Mineralogia all’Università di Padova e tra i massimi esperti mondiali di inclusioni nei diamanti naturali – Questo lavoro le interroga da una prospettiva diversa, quella dello stato redox del mantello e del ciclo profondo del carbonio, interpretato con l’ausilio dei modelli petrologici, e mostra quanto possano ancora raccontarci sulla Terra primordiale”.
