Zirconi Detective: Viaggio nel Tempo per Misurare la Crosta Cinese Antica

Ciao a tutti! Sono qui per raccontarvi una storia affascinante, un vero e proprio viaggio indietro nel tempo di quasi un miliardo di anni, nel cuore del Neoproterozoico. È un periodo pazzesco nella storia della Terra, segnato da eventi epocali: la frammentazione del supercontinente Rodinia, le glaciazioni globali tipo “Terra a Palla di Neve”, l’esplosione di vita complessa. E indovinate un po’? Possiamo ricostruire pezzi di questa storia incredibile grazie a dei minuscoli “detective” geologici: i cristalli di zircone.

I Superpoteri dello Zircone

Lo zircone (ZrSiO4) è un minerale quasi indistruttibile. Resiste a processi geologici estremi, all’erosione, al trasporto per fiumi e venti. Ma la cosa più straordinaria è che, quando si forma all’interno di un magma che si raffredda, intrappola al suo interno atomi di uranio (U) e torio (Th). Questi elementi radioattivi decadono a un ritmo costante trasformandosi in piombo (Pb). Misurando con precisione le quantità di U, Th e Pb, possiamo datare con incredibile accuratezza il momento in cui il cristallo di zircone si è formato. È come avere un orologio atomico incorporato!

Ma non è tutto. Lo zircone cattura anche altri elementi chimici, i cosiddetti “elementi in traccia”. La loro composizione chimica, come una sorta di impronta digitale, ci racconta molto sull’ambiente in cui il magma si è formato: la profondità, la temperatura, la presenza di acqua, il tipo di rocce fuse, persino il contesto tettonico (se c’era una subduzione, un rifting, una collisione continentale).

Nel nostro studio, ci siamo concentrati sul margine nord-occidentale del Blocco Yangtze, una delle due principali componenti della Placca della Cina Meridionale. Quest’area è ricca di rocce neoproterozoiche ed è quindi un laboratorio naturale perfetto per indagare l’evoluzione tettonica e ambientale di quel periodo cruciale.

La Missione: Ricostruire lo Spessore Crostale

Uno degli aspetti più intriganti che volevamo esplorare era come lo spessore della crosta terrestre in quella regione fosse cambiato durante il Neoproterozoico. Perché è importante? Beh, lo spessore crostale è un indicatore fondamentale dei processi tettonici su larga scala. Una crosta spessa suggerisce collisioni continentali, formazione di catene montuose (orogenesi). Una crosta sottile, invece, può indicare processi di estensione, di rifting, la separazione di continenti.

Come misurare lo spessore della crosta di un miliardo di anni fa? Qui entra in gioco un altro superpotere dello zircone: l’anomalia dell’europio (Eu/Eu*). L’europio è un elemento delle terre rare la cui abbondanza relativa nello zircone è sensibile alla pressione (e quindi alla profondità) a cui il magma si è differenziato. In pratica, analizzando il rapporto Eu/Eu* in molti zirconi di età diverse, possiamo stimare lo spessore della crosta nel momento in cui quei zirconi si sono cristallizzati. È una tecnica relativamente nuova ma potentissima!

Abbiamo raccolto campioni di arenarie e argilliti da due formazioni geologiche chiave: la Formazione Doushantuo e la sovrastante Formazione Dengying, entrambe depositate nel tardo Neoproterozoico (periodo Ediacarano). Da questi sedimenti abbiamo estratto migliaia di granuli di zircone detritico. “Detritico” significa che questi zirconi non si sono formati lì, ma provengono dall’erosione di rocce più antiche situate in aree sorgenti e sono stati trasportati e depositati insieme alla sabbia e all’argilla.

Le Scoperte: Un Miliardo di Anni di Alti e Bassi

L’analisi U-Pb degli zirconi ci ha rivelato un’intensa attività magmatica nella regione sorgente durante il Neoproterozoico, con un picco di età tra 700 e 950 milioni di anni fa (Ma). Confrontando queste età e la geochimica degli zirconi con le rocce conosciute nelle aree circostanti, abbiamo identificato la regione di Micangshan–Hannan, a nord, come la probabile area sorgente principale. Questa zona è nota per avere estese rocce vulcaniche bimodali (acide e basiche) proprio di quell’età, il che combacia perfettamente con le nostre analisi sulla composizione degli zirconi.

E lo spessore crostale? Applicando il proxy Eu/Eu* a oltre mille zirconi accuratamente selezionati, abbiamo ricostruito una storia affascinante:

• 1000 – 850 Ma: La crosta si ispessisce rapidamente. Questo periodo coincide con le fasi finali dell’assemblaggio del supercontinente Rodinia. Immaginate continenti che si scontrano, montagne che si innalzano!
• 850 – 730 Ma: La crosta si assottiglia. Questo è il momento in cui Rodinia inizia a frammentarsi. Lungo il margine dello Yangtze si attivano processi di estensione, forse legati a un fenomeno chiamato “rollback della placca” in subduzione (la placca che sprofonda arretra, stirando la crosta soprastante).
• 730 – 539 Ma: La crosta torna ad ispessirsi, anche se con qualche fluttuazione. Dopo la fase principale di rifting legata alla rottura di Rodinia, il margine dello Yangtze sembra essere stato coinvolto in collisioni con altri blocchi continentali più piccoli (microcontinenti) durante le fasi che porteranno poi all’assemblaggio del successivo supercontinente, Gondwana. Un ispessimento più tardivo (dopo ~625 Ma) è seguito da un nuovo assottigliamento legato a fasi estensionali interne al blocco Yangtze.

Indizi Tettonici dagli Elementi in Traccia

Ma non ci siamo fermati allo spessore crostale. Gli elementi in traccia ci hanno fornito ulteriori indizi preziosi sui contesti tettonici. Rapporti come U/Yb, Nb/Yb, Th/U, Nb/Ta ci hanno permesso di distinguere tra ambienti di arco magmatico (tipici delle zone di subduzione), ambienti orogenici (collisioni) ed ambienti intra-placca (rifting).

I risultati sono coerenti con la storia dello spessore crostale:

• Gli zirconi più antichi (prima di 850 Ma) mostrano caratteristiche tipiche di ambienti compressivi, come archi continentali o catene montuose (orogeni).
• Dopo 850 Ma, iniziano a comparire e ad aumentare zirconi con caratteristiche di tipo “mantello impoverito” e legati ad ambienti estensionali, intra-placca. Questo supporta l’idea del rifting e del rollback della placca subdotta.
• Indicatori come il rapporto Th/U (che può riflettere l’incorporazione di sedimenti o crosta più vecchia nel magma) e U/Yb (legato all’arricchimento del magma) mostrano variazioni nel tempo che seguono questa evoluzione da subduzione/compressione a estensione.
• Anche le temperature di cristallizzazione stimate (usando il termometro Ti-in-zircone) e la fugacità d’ossigeno (stimata dal rapporto Ce/Nd) mostrano tendenze interessanti, come un aumento della temperatura e della fugacità d’ossigeno durante la fase di rollback (850-730 Ma), forse dovuto all’afflusso di calore e alla fusione di sedimenti nella zona di subduzione.

Rodinia: Al Centro o alla Periferia?

Una delle grandi domande sulla geodinamica neoproterozoica riguarda la posizione della Placca della Cina Meridionale all’interno di Rodinia. Era al centro del supercontinente, e la sua rottura fu causata da un super-pennacchio dal mantello (modello Plume-rift)? Oppure si trovava ai margini, e la sua evoluzione fu dominata da processi di subduzione lungo i bordi (modello Slab-arc)?

I nostri dati, che indicano una lunga storia di subduzione lungo il margine nord-occidentale dello Yangtze, attiva almeno fino a 730 Ma, con successiva estensione legata al rollback della placca, supportano fortemente il modello Slab-arc. La Cina Meridionale era probabilmente situata alla periferia di Rodinia, non nel suo cuore.

Conclusioni di un Viaggio nel Tempo

Insomma, analizzando questi minuscoli ma resistentissimi zirconi detritici, siamo riusciti a ricostruire una storia complessa e dinamica durata centinaia di milioni di anni. Abbiamo “misurato” lo spessore della crosta terrestre di un’epoca remota, abbiamo seguito le tracce di subduzioni, collisioni e rifting, e abbiamo contribuito a risolvere un importante dibattito sulla configurazione dei supercontinenti.

È incredibile pensare come questi granelli di minerale, trasportati da antichi fiumi e sepolti nei sedimenti, conservino una memoria così dettagliata del passato turbolento del nostro pianeta. La prossima volta che vedrete una roccia sedimentaria, pensate che potrebbe contenere migliaia di questi piccoli messaggeri dal passato, pronti a raccontarci la loro storia, se solo sappiamo come interrogarli!

Fonte: Springer