Diamanti dagli Abissi: Svelato il Segreto della Perovskite di Calcio Fantasma

Avete mai pensato a cosa si nasconde nelle profondità più remote del nostro pianeta? Io sì, continuamente! È un mondo misterioso, fatto di pressioni e temperature inimmaginabili. E sapete quali sono alcuni dei messaggeri più preziosi che ci arrivano da laggiù? I diamanti! Non solo per la loro bellezza, ma perché a volte intrappolano al loro interno minuscoli frammenti del mantello terrestre, delle vere e proprie capsule del tempo geologiche.

Oggi voglio parlarvi di un minerale particolarmente affascinante e importante che si trova in quelle profondità: la perovskite di calcio-silicato (CaSiO3), recentemente battezzata “davemaoite“. Pensate, questo minerale è uno dei principali costituenti del mantello profondo, forse il terzo o quarto più abbondante laggiù, stabile da centinaia di chilometri di profondità fino al confine con il nucleo terrestre! È un protagonista silenzioso che influenza la chimica e la dinamica del nostro pianeta.

Messaggeri Criptici: Le Inclusioni nei Diamanti

La cosa incredibile è che abbiamo trovato tracce di questo minerale, o meglio, di quello che *era* questo minerale, proprio all’interno di diamanti provenienti da zone profondissime, ben al di sotto della litosfera (i cosiddetti diamanti sub-litosferici). Queste inclusioni, spesso ricche anche di titanio (formando una soluzione solida CaSiO3-CaTiO3), sono state interpretate come ex-perovskiti. Perché “ex”? Perché quasi nessuna di queste inclusioni ha mantenuto la sua struttura cristallina originale di perovskite! Durante la risalita verso la superficie, intrappolate nel diamante, hanno subito trasformazioni, “retrogradando” in un miscuglio di minerali di bassa pressione.

Abbiamo basato l’interpretazione sulla loro composizione chimica (la giusta stechiometria ABO3) e sul fatto che i minerali presenti oggi sono quelli che ci aspetteremmo dalla “rottura” della perovskite. Queste inclusioni ci hanno dato indizi preziosi, suggerendo, ad esempio, che provengono da materiale oceanico riciclato nelle profondità del mantello. Ma c’era sempre un dubbio: e se non fossero *davvero* state perovskiti? E se fossero campioni di bassa pressione intrappolati per caso?

Trovare una perovskite di calcio *intatta*, con la sua struttura originale preservata nel diamante, sarebbe la prova definitiva della sua origine profonda e ci permetterebbe di studiarla direttamente, senza dover decifrare gli effetti della trasformazione. Ci sono stati un paio di report che sembravano indicare proprio questo, ma come vedremo, le cose non sono così semplici.

Il Nostro Lavoro Sperimentale: Creare e Studiare la Perovskite in Laboratorio

Per capire meglio cosa succede a questi minerali e come identificarli con certezza, abbiamo deciso di ricreare le condizioni del mantello nel nostro laboratorio. Abbiamo sintetizzato campioni di perovskite con diverse proporzioni di silicio (Si) e titanio (Ti), coprendo l’intera gamma da CaTiO3 puro a CaSiO3 puro (la davemaoite).

Utilizzando potenti sorgenti di raggi X (diffrazione a raggi X) e spettroscopia Raman (una tecnica che usa la luce laser per “vedere” la struttura molecolare), abbiamo studiato questi campioni sia a pressione ambiente che simulando le altissime pressioni del mantello. Volevamo creare una sorta di “carta d’identità” per queste perovskiti.

Un Kit di Identificazione Non Distruttivo

Una delle scoperte più utili è stata confermare che esiste una relazione diretta e lineare tra la composizione del minerale (quanto Si e quanto Ti contiene) e alcune sue proprietà misurabili:

• Il volume della sua cella cristallina (misurabile con i raggi X).
• Le posizioni dei picchi principali nel suo spettro Raman.

Questo è fantastico! Significa che ora abbiamo un modo per stimare la composizione di un’inclusione di perovskite *all’interno* di un diamante, senza doverla estrarre e distruggere per l’analisi chimica. Possiamo usare raggi X e Raman per verificarne la struttura e avere una buona idea della sua composizione. È come avere una lente d’ingrandimento speciale che ci dice cosa stiamo guardando senza rompere il campione.

Il Minerale che Svanisce: L’Amorfizzazione della Davemaoite

Ma ecco la sorpresa più grande, e forse un po’ deludente per chi spera di trovare davemaoite pura intatta. Abbiamo osservato direttamente cosa succede quando prendiamo una perovskite molto ricca di CaSiO3 (diciamo più dell’80%) e la decomprimiamo a temperatura ambiente, simulando la sua risalita verso la superficie.

Appena la pressione scende sotto una certa soglia (attorno a 1.5-4 GPa, che sono comunque pressioni enormi ma molto inferiori a quelle del mantello profondo), il minerale fa qualcosa di strano: invece di continuare a espandersi come ci si aspetterebbe, il suo volume cristallografico sembra *ridursi* e i segnali di diffrazione diventano deboli. E poi, al momento del rilascio finale della pressione, *puff*! La struttura cristallina scompare quasi istantaneamente. Il minerale diventa amorfo, perde il suo ordine interno.

Questo fenomeno, chiamato amorfizzazione spontanea, spiega perché è così difficile, se non impossibile, recuperare campioni di davemaoite (CaSiO3 pura o quasi) intatti a pressione ambiente. Semplicemente, non sopravvivono al viaggio! Le composizioni più ricche di titanio, invece, sembrano più resistenti e possono essere recuperate, anche se a volte solo parzialmente cristalline. Questo getta nuova luce sui pochi report di presunta davemaoite trovata nei diamanti: probabilmente, o non erano così ricche di CaSiO3 come si pensava, o, come suggerisce il nostro studio e altri, potrebbero essere state identificate erroneamente.

L’Acqua Cambia le Regole del Gioco

Un’altra scoperta interessante riguarda l’effetto dell’acqua. Abbiamo condotto esperimenti sia in condizioni “secche” (anhydrous) che aggiungendo una piccola quantità di acqua (simulando ambienti idrati nel mantello, come quelli presenti nelle placche oceaniche in subduzione).

I risultati sono stati chiari: la presenza di acqua sembra estendere il campo di stabilità della perovskite di calcio a pressioni più basse! Nel nostro esperimento, la perovskite si è formata a circa 1 GPa (Gigapascal) in meno di pressione quando c’era acqua rispetto a quando non c’era. Questo è un bel po’! Potrebbe significare che la perovskite di calcio può formarsi a profondità minori di quanto pensassimo (forse già intorno ai 350-380 km) all’interno delle placche fredde e idrate che sprofondano nel mantello. Una possibile spiegazione è che la perovskite riesca a incorporare un po’ d’acqua nella sua struttura, rendendola più stabile.

Cosa Significa Tutto Questo per i Diamanti e il Mantello Profondo?

Le nostre scoperte hanno diverse implicazioni importanti:

1. Identificazione più sicura: Abbiamo fornito strumenti (le relazioni tra volume/spettri Raman e composizione) per identificare e caratterizzare le inclusioni di perovskite (o ex-perovskite) nei diamanti in modo non invasivo. Questo aiuterà a confermare la loro origine profonda e a stimare la composizione del mantello da cui provengono.
2. Il mistero della davemaoite intatta: L’osservazione dell’amorfizzazione spiega perché trovare davemaoite (CaSiO3 pura o quasi) intatta è estremamente difficile. Forse richiede un percorso di risalita molto particolare e freddo che finora non abbiamo campionato, o forse è semplicemente impossibile recuperarla a temperatura ambiente. I presunti ritrovamenti passati vanno probabilmente rivalutati alla luce di questi dati.
3. Il ruolo dell’acqua: L’acqua sembra giocare un ruolo nel determinare dove e a quale profondità si forma la perovskite di calcio nel mantello, specialmente nelle zone di subduzione. Questo influenza la nostra comprensione del ciclo dell’acqua nelle profondità terrestri e della mineralogia delle placche subdotte.
4. Interpretazione delle inclusioni retrogradate: Anche se non troviamo la perovskite intatta, capire come si trasforma e a quali condizioni è stabile ci aiuta a interpretare meglio le inclusioni polifasiche (composte da più minerali) che troviamo oggi, ricostruendo la loro storia e quella del diamante che le ospita.

Insomma, studiando questi minerali sintetici in laboratorio, stiamo imparando moltissimo su processi che avvengono a centinaia di chilometri sotto i nostri piedi. Ogni esperimento ci avvicina un po’ di più a decifrare i messaggi nascosti nei diamanti, queste incredibili finestre sul cuore profondo e dinamico del nostro pianeta. La ricerca continua, e chissà quali altre sorprese ci riserva il mantello terrestre!

Fonte: Springer