I continenti sono parte di ciò che rende la Terra, tra i pianeti del sistema solare, abitabile, ma sorprendentemente poco si sa su cosa abbia dato origine a questi enormi pezzi di crosta del pianeta e alle loro speciali proprietà. Una nuova ricerca condotta da Elizabeth Cottrell, geologa ricercatrice e curatrice delle rocce presso il Museo Nazionale di Storia Naturale dello Smithsonian, e dall’autrice principale dello studio, approfondisce la comprensione della crosta terrestre testando e infine eliminando un’ipotesi: la composizione povera di ferro, della crosta continentale, è uno dei motivi principali per cui vaste porzioni della superficie terrestre si trovano al di sopra del livello del mare come terre asciutte, rendendo oggi possibile la vita terrestre. Lo studio, pubblicato su Science, utilizza esperimenti di laboratorio per dimostrare che la chimica ossidata e povera di ferro, tipica della crosta continentale della Terra, probabilmente non deriva dalla cristallizzazione del minerale granato, come suggeriva una spiegazione popolare proposta nel 2018. Una delle conseguenze principali del basso contenuto di ferro della crosta continentale della Terra rispetto alla crosta oceanica è che rende i continenti meno densi e più galleggianti, facendo sì che le placche continentali si trovino più in alto sul mantello del pianeta, rispetto alle placche oceaniche. Questa discrepanza di densità e galleggiamento è uno dei motivi principali per cui i continenti presentano terre asciutte mentre le croste oceaniche sono sott’acqua.
La spiegazione del granato per l’esaurimento e l’ossidazione del ferro nei magmi dell’arco continentale era convincente, ma Cottrell ha detto che un aspetto non le convinceva. “Servono pressioni elevate per rendere stabile il granato, e si trova questo magma a basso contenuto di ferro in luoghi in cui la crosta non è così spessa e quindi la pressione non è super elevata”, ha detto.
Ricreare la crosta continentale in laboratorio
Nel 2018, Cottrell e i suoi colleghi si sono messi alla ricerca di un modo per verificare se la cristallizzazione del granato in profondità sotto questi vulcani sia effettivamente essenziale per il processo di creazione della crosta continentale, così come viene inteso. Per riuscirci, Cottrell e Holycross hanno dovuto trovare il modo di replicare in laboratorio l’intenso calore e la pressione della crosta terrestre, per poi sviluppare tecniche sufficientemente sensibili per misurare non solo la quantità di ferro presente, ma anche per distinguere se quel ferro fosse ossidato. Per ricreare la pressione e il calore massicci che si trovano sotto i vulcani dell’arco continentale, il team ha utilizzato le cosiddette presse a pistone e cilindro, del Laboratorio di Alta Pressione del museo e della Cornell. Una pressa idraulica a pistone-cilindro ha le dimensioni di un mini-frigo ed è fatta per lo più di acciaio e carburo di tungsteno, incredibilmente spessi e resistenti. La forza applicata da un grande pistone idraulico determina pressioni molto elevate su campioni di roccia minuscoli, delle dimensioni di circa un millimetro cubo. Il gruppo è costituito da isolanti elettrici e termici che circondano il campione di roccia e da un forno cilindrico. La combinazione di pressa a pistone e cilindro e gruppo di riscaldamento consente di effettuare esperimenti in grado di raggiungere le pressioni e le temperature molto elevate che si trovano sotto i vulcani. In 13 diversi esperimenti, Cottrell e Holycross hanno fatto crescere campioni di granato dalla roccia fusa all’interno della pressa a pistone-cilindro, a pressioni e temperature studiate per simulare le condizioni all’interno delle camere magmatiche nelle profondità della crosta terrestre. Le pressioni utilizzate negli esperimenti variavano da 1,5 a 3 gigapascal, vale a dire 8.000 volte la pressione all’interno di una lattina di soda. Le temperature variavano da 950 a 1.230 gradi, abbastanza calde da fondere la roccia. Successivamente, il team ha raccolto granati dalla National Rock Collection dello Smithsonian. Questo gruppo di granati era già stato analizzato e quindi si conoscevano le concentrazioni di ferro ossidato e non ossidato. Il team ha poi utilizzato fasci di raggi X ad alta energia per avere informazioni sulla struttura e sulla composizione dei materiali in base al modo in cui assorbono i raggi X. In questo caso, i ricercatori hanno esaminato le concentrazioni di ferro ossidato e non ossidato.
I risultati di questi test hanno rivelato che i granati non avevano incorporato abbastanza ferro non ossidato dai campioni di roccia per tenere conto dei livelli di impoverimento e ossidazione del ferro presenti nei magmi che costituiscono i mattoni della crosta continentale terrestre.
Questo studio è un esempio del tipo di ricerca che gli scienziati del museo affronteranno nell’ambito della nuova iniziativa “Our Unique Planet” (Il nostro pianeta unico), una partnership pubblico-privata che sostiene la ricerca su alcune delle domande più durevoli e significative su ciò che rende speciale la Terra. Altre ricerche indagheranno sull’origine degli oceani liquidi della Terra e su come i minerali possano essere serviti da modello per la vita.
