Cosa nasconde il mantello della Terra

Il minerale chiamato perovskite ha scarsa fama ma grande importanza. Secondo uno studio della Tohuku University, in Giappone, uscito su Nature, il mantello inferiore del nostro pianeta – suo unico e immenso serbatoio – ne contiene il 93 per cento in volume, molto più di quanto stimato in precedenza. Tanto basta a fare della perovskite la sostanza più abbondante sulla Terra. O, meglio, sottoterra.

La perovskite – silicato con ferro e magnesio – è un minerale ultra-denso, stabile solo alle pressioni del mantello inferiore (ovvero dai 700 ai 2.900 chilometri di profondità). Dagli studi sui meteoriti e sulle onde sismiche si ha la certezza che questa porzione di mantello, inaccessibile al campionamento, ne contenga in abbondanza. La perovskite è infatti la versione a forte “impacchettamento” dell’olivina, il minerale principale del mantello superiore (da circa 100 a 700 chilometri di profondità).

Grazie a sporadici affioramenti, la composizione del mantello superiore è definita da misure dirette: la sua olivina “media” ha un rapporto tra magnesio e silicio di 1,3, cioè a favore del primo elemento. È in parte conseguenza dell’impoverimento di silicio da parte dei processi magmatici implicati nella formazione della crosta.

Non potendo analizzare direttamente le porzioni più profonde del mantello (come quelle oltre la transizione olivina-perovskite), il rapporto Mg/Si di 1,3 viene convenzionalmente attribuito anche al mantello inferiore. È proprio qui che si annida un paradosso, il cosiddetto problema del silicio mancante: i due elementi, infatti, dovrebbero essere presenti nella stessa misura.

Per comprendere meglio di cosa parlano i geologi, occorre introdurre le chondriti, antichissime meteoriti ritenute identiche, per età e composizione, al mantello primordiale terrestre. Il loro rapporto Mg/Si è 1, indice che in esse i due elementi sono egualmente abbondanti. Ci si attenderebbe, dunque, che il loro rapporto combaci con quello della maggior parte del mantello, che sembra invece dominato dal magnesio.

Gli autori del nuovo studio, guidati da Motohiko Murakami, hanno svolto esperimenti sulle onde sismiche, con lo scopo di risalire alla vera composizione del mantello inferiore. Dato che il rapporto Mg/Si nella perovskite è generalmente stabile attorno a 1, se si potesse dimostrare che tutto il mantello inferiore è in realtà costituito in massima parte da questo minerale, il problema del silicio mancante sarebbe risolto.

I test, realizzati al Japan Synchrotron Radiation Research Institute, erano mirati a stabilire l’esatta velocità delle onde sismiche sulla perovskite. Dovendo innanzitutto fronteggiare le notevoli difficoltà nel ricrearla in laboratorio, si è ricorsi alla cella a incudine di diamante, un apparecchio in grado di portare un materiale a pressioni estreme, fino a quelle cui è sottoposto il mantello profondo. Nella perovskite così ottenuta, fatta vibrare con l’ausilio di una sorgente termica, la velocità delle onde elastiche veniva dedotta dalle caratteristiche di una radiazione riflessa, nota come spettro di Brillouin.

Lo spettro di velocità determinato sulla perovskite a diversi valori di pressione e quello misurato nel mantello inferiore con i tradizionali strumenti sismologici sono risultati straordinariamente vicini. Tale somiglianza suggerisce che il mantello profondo sia riempito quasi esclusivamente dal silicato ultra-denso (93 per cento in volume). Inoltre, considerando che chondriti e perovskite sono accomunati dallo stesso valore del rapporto Mg/Si, il paradosso del silicio mancante sembra ormai superato.

Riferimento: Nature: doi:10.1038/nature11004

Credit per l’immagine: Motohiko Murakami