Fase CF: Un Trasportatore d’Acqua Mancato nelle Profondità della Terra?

Ciao a tutti, appassionati di geoscienze e misteri del nostro pianeta! Oggi vi porto con me in un viaggio incredibile, nelle profondità più recondite della Terra, per parlare di un tema che mi affascina da sempre: il ciclo dell’acqua profondo. Sappiamo tutti quanto l’acqua sia fondamentale in superficie, ma cosa succede laggiù, a centinaia, migliaia di chilometri sotto i nostri piedi? E come ci arriva?

Una delle vie principali attraverso cui l’acqua viene trasportata nelle viscere del nostro pianeta è attraverso la subduzione delle placche tettoniche, in particolare delle croste oceaniche basaltiche. Immaginate queste enormi porzioni di crosta che si inabissano lentamente nel mantello, portando con sé acqua intrappolata nei loro minerali. Questo processo è cruciale, perché l’acqua influenza profondamente le proprietà fisiche dei minerali del mantello: ne abbassa il punto di fusione, ne modifica l’elasticità, la conducibilità elettrica e termica, e persino la loro “viscosità” (reologia). Pensate che il ritrovamento di ringwoodite idrata inclusa in diamanti ci ha già confermato la presenza di acqua almeno fino alla zona di transizione del mantello! E le osservazioni geochimiche dei basalti delle isole oceaniche suggeriscono addirittura sorgenti ricche d’acqua nel mantello inferiore. Ma come l’acqua venga trasportata e immagazzinata laggiù rimane ancora un bel rompicapo.

Il Grande Dilemma: Chi Immagazzina l’Acqua nel Mantello Inferiore?

Una delle domande aperte è proprio questa: quali minerali fungono da “serbatoi” d’acqua nel mantello inferiore? I due minerali più abbondanti in un mantello inferiore di tipo pirolitico, la bridgmanite e la ferropericlasio, hanno una capacità di immagazzinare acqua molto limitata, parliamo di circa 1000 e 100 parti per milione (ppm) in peso, rispettivamente. Una miseria! C’è poi la davemaoite, il terzo incomodo, che potrebbe contenere un po’ più di acqua (forse 0.4-1% in peso), ma il dibattito è ancora aperto.

Le cose si complicano, o meglio, si diversificano, quando consideriamo i materiali della crosta subdotta, come i basalti o i sedimenti continentali. Questi hanno composizioni chimiche distinte e quindi formano associazioni mineralogiche completamente diverse. Oltre a bridgmanite e davemaoite, l’alto contenuto di SiO₂ e Al₂O₃ in queste rocce stabilizza fasi ricche in silice (come la stishovite e la sua forma post-stishovite di tipo CaCl₂) e fasi ricche in alluminio, come la fase di tipo calcium ferrite (CF) e la nuova fase esagonale alluminosa (NAL).

La stishovite può contenere una quantità d’acqua significativa, fino allo 0.3% in peso se contiene alluminio (come è realistico aspettarsi nei materiali crostali), e la post-stishovite di tipo CaCl₂ ancora di più, fino all’1.1% in peso! Ma per quanto riguarda le fasi ricche in alluminio, come la nostra protagonista, la fase CF? Beh, qui la ricerca era un po’ carente, soprattutto a causa di dubbi sulla sua stabilità in sistemi idrati.

Sotto la Lente: La Fase CF (MgAl₂O₄) e l’Acqua

Studi recenti avevano addirittura suggerito che la fase CF potesse non formarsi affatto in condizioni idrate a certe pressioni e temperature. In sistemi basaltici idrati, al posto della fase CF e NAL, si osservava una fase H ricca in alluminio insieme a ferropericlasio e un fluido. Sembrava che la presenza di sodio (Na) e di una quantità relativamente grande di acqua potesse destabilizzare la fase CF, favorendo la formazione di altri minerali e di un fuso ricco in sodio. Questo perché il sodio tende a partizionarsi preferenzialmente nel fluido acquoso, “impoverendo” i minerali circostanti.

Tuttavia, la temperatura di una placca in subduzione, specialmente nello strato superiore della crosta basaltica, aumenta con il tempo a causa dell’alta temperatura del mantello inferiore circostante. Ci si potrebbe quindi aspettare una reazione, dopo la disidratazione della fase H ricca in alluminio, che potrebbe portare alla formazione di una fase CF impoverita di sodio. La domanda cruciale diventava quindi: questa fase CF “pulita” dal sodio, è stabile in presenza di acqua? E quanta acqua può effettivamente trattenere?

Ed è qui che entra in gioco il nostro studio! Ci siamo concentrati sulla stabilità e sulla solubilità dell’acqua nella fase CF di tipo MgAl₂O₄, che è uno dei componenti principali della fase CF in un basalto idrato, in sistemi contenenti acqua a pressioni tra 26 e 32 GPa (gigapascal, un’unità di misura della pressione elevatissima!) e temperature tra 1200 e 1900 °C. Per farlo, abbiamo usato una pressa multi-incudine di tipo Kawai, uno strumento pazzesco che ci permette di ricreare in laboratorio le condizioni estreme del mantello terrestre.

Esperimenti al Limite: Cosa Abbiamo Scoperto?

I nostri risultati sono stati piuttosto chiari: la stabilità della fase CF è fortemente influenzata dal contenuto d’acqua nel sistema. Abbiamo preparato campioni con diverse quantità d’acqua (5% e 10% in peso). Ebbene, nel sistema con il 10% di H₂O, la fase CF non si è formata! Al suo posto, abbiamo trovato corindone e periclasio. Questo conferma che un eccesso d’acqua destabilizza la fase CF, probabilmente perché gli elementi che la compongono (come Mg e Al) si sciolgono preferenzialmente nel fuso idrato.

Concentrandoci sul sistema con il 5% di H₂O, abbiamo poi esplorato diverse condizioni di pressione e temperatura. Abbiamo visto che a temperature più basse (1200 °C a 27 GPa), la fase CF non appariva, mentre si formava una miscela di δ-AlOOH (una fase idrata di alluminio), corindone e periclasio. Aumentando la pressione o la temperatura, la fase CF diventava stabile. Siamo riusciti a sintetizzare cristalli di fase CF di dimensioni comprese tra 50 e 400 micrometri, abbastanza grandi per essere analizzati!

E la domanda cruciale: quanta acqua contengono questi cristalli di fase CF? Abbiamo misurato il contenuto d’acqua usando la spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier (FTIR). I risultati? Sorprendentemente poco! Il contenuto d’acqua nei cristalli di fase CF recuperati variava tra 73 e 87 ppm in peso a una pressione di 26 GPa e temperature tra 1500 e 1900 °C. C’è una leggera tendenza a diminuire con l’aumento della temperatura, ma siamo sempre su valori bassissimi.

Questi dati rappresentano la prima rilevazione precisa di acqua nella fase CF e suggeriscono che questa fase ha una solubilità in acqua molto limitata. Quindi, la fase CF non sembra poter essere un trasportatore primario di acqua nelle profondità del mantello inferiore.

Implicazioni per il Ciclo dell’Acqua Profondo e la Struttura del Mantello

Cosa significa tutto questo? Se la fase CF, che si forma nelle porzioni più calde della crosta basaltica subdotta dopo la disidratazione di altre fasi idrate come la fase H, non trattiene molta acqua, allora quest’acqua deve andare da qualche altra parte. La maggior parte dell’acqua rilasciata, almeno nelle condizioni del mantello inferiore più superficiale, probabilmente si partiziona nei minerali di silice alluminosa (come stishovite e la sua forma post-stishovite) e forse nella davemaoite, che hanno dimostrato di poter ospitare quantità d’acqua ben più significative.

Questo ha diverse implicazioni affascinanti:

• Sottolinea il contributo fondamentale dei minerali di silice alluminosa al ciclo dell’acqua profondo della Terra. L’acqua potrebbe essere trattenuta principalmente nelle croste basaltiche fino al confine nucleo-mantello e poi ritornare verso parti meno profonde attraverso i pennacchi caldi ascendenti.
• Potrebbe spiegare le strutture eterogenee osservate nel mantello inferiore, come gli “scatterers” sismici (zone che diffondono le onde sismiche) rilevati a circa 700 km di profondità. La forte partizione dell’acqua verso la silice alluminosa, infatti, abbassa la pressione di transizione dalla stishovite alla fase CaCl₂, che ha una densità diversa.
• Anche se quasi anidra, la fase CF potrebbe comunque giocare un ruolo importante. Potrebbe esistere ampiamente nelle litologie crostali subdotte e contribuire allo “splitting” delle onde di taglio (birifrangenza sismica) osservato a tali profondità, a causa della sua significativa anisotropia elastica. Inoltre, studi recenti hanno rivelato che la fase CF anidra può fungere da efficace isolante termico, suggerendo che regioni ricche di basalto accumulato nel mantello più profondo potrebbero essere blocchi termicamente isolanti. Una piccola quantità d’acqua potrebbe persino ridurre ulteriormente la sua conducibilità termica.

In conclusione, la nostra indagine sulla stabilità e sulla solubilità dell’acqua nella fase CF di tipo MgAl₂O₄ ci dice che, sebbene questa fase possa formarsi in condizioni specifiche nel mantello superiore, non è un attore chiave nel trasporto o nell’immagazzinamento di grandi quantità d’acqua. Questo risultato, apparentemente “negativo”, è in realtà un tassello importantissimo che ci aiuta a comprendere meglio il complesso puzzle del ciclo dell’acqua profondo e le dinamiche interne del nostro straordinario pianeta. La ricerca continua, e ogni scoperta ci avvicina un po’ di più a svelare i segreti nascosti nelle profondità della Terra!

Fonte: Springer