Utilizzando tecniche di sincrotrone, gli scienziati hanno svelato importanti informazioni sul Grande Evento di Ossidazione studiando le inclusioni di apatite nei cristalli di zircone provenienti da vecchi magmi con l’ESRF – Extremely Brilliant Source. I risultati sono pubblicati in Geoscienza della natura.
Circa 2,4 miliardi di anni fa ebbe luogo un momento cruciale nella storia della Terra: il Grande Evento di Ossidazione. Durante questo periodo, una quantità significativa di ossigeno si è accumulata nell’atmosfera. Questo aumento nella produzione di ossigeno ha portato a un drammatico cambiamento nella composizione dell’atmosfera, alterando la chimica del pianeta. L’evento ha segnato un punto di svolta poiché i livelli di ossigeno sono aumentati, consentendo lo sviluppo di forme di vita multicellulari più complesse e rimodellando radicalmente gli ecosistemi della Terra.
La tettonica a placche è un meccanismo efficace per il ciclo e l’interscambio di elementi tra la superficie terrestre, l’atmosfera e il mantello. Quando le montagne subiscono gli agenti atmosferici e l’erosione attraverso le interazioni con l’acqua e l’atmosfera, si scompongono in sedimenti. Questi sedimenti vengono poi parzialmente restituiti al mantello attraverso processi di subduzione (una placca tettonica sprofonda sotto un’altra). La formazione di magmi nel mantello sopra le zone di subduzione offre un’opportunità unica per esplorare come l’atmosfera potrebbe aver influenzato il mantello assimilando materiali dai sedimenti subdotti, offrendo spunti su questa intrigante relazione geologica.
Gli scienziati hanno cercato a lungo di studiare l’interazione tra l’atmosfera e il mantello terrestre. La missione è già complicata da realizzare nella Terra moderna, e ancora di più nella Terra primordiale, quando l’atmosfera e la tettonica a placche stavano cambiando a ritmi rapidi. Un team guidato dall’Università di Montpellier e dall’Università di Portsmouth ha collaborato con l’ESRF (il sincrotrone europeo) e ha trovato un modo per superare gli ostacoli studiando le inclusioni di apatite nello zircone proveniente dalle zone di subduzione.
“Nel 2017, un articolo sull’apatite minerale ha rivelato che quando cresce in condizioni ridotte, ovvero con poco o nessun ossigeno libero per le reazioni chimiche, il suo zolfo mostrerebbe una firma molto specifica. Tuttavia, se cristallizzasse in condizioni ossidate, l’apatite lo zolfo all’interno dell’apatite avrebbe un aspetto molto diverso. Ciò significa che l’apatite è un indicatore delle condizioni redox”, spiega Hugo Moreira, ricercatore post-dottorato del CNRS presso l’Università di Montpellier e primo autore dell’articolo.
Moreira e colleghi hanno deciso di esplorare inclusioni di apatite minerale-fosforica nei grani di zircone che sono cristallizzati in magmi formati in un’antica zona di subduzione e hanno misurato la loro speciazione della valenza dello zolfo utilizzando l’assorbimento di raggi X vicino alla struttura del bordo (XANES) presso l’ESRF, il più luminoso sorgente di luce di sincrotrone.
L’incorporazione e la speciazione dello zolfo nell’apatite è intrinsecamente dipendente dalla fugacità di ossigeno del magma e quindi ideale per valutare lo stato di ossidazione durante l’evoluzione dei sistemi magmatici. “L’uso di inclusioni di apatite negli zirconi piuttosto che di apatite proveniente dalla matrice rocciosa è stato fondamentale, poiché le inclusioni sono state protette dai cristalli di zircone estremamente robusti, preservando la loro composizione originale”, spiega Moreira.
I risultati dell’esperimento mostrano che le inclusioni di apatite negli zirconi provenienti da magmi cristallizzati prima del Grande Evento di Ossidazione hanno uno stato redox dello zolfo relativamente ridotto, mentre dopo il Grande Evento di Ossidazione sono più ossidate. L’analisi sullo zircone mostra che questi magmi condividevano una fonte simile e che i campioni più giovani avevano incorporato una componente sedimentaria. Nel complesso, la chiara implicazione è che i sedimenti colpiti da un’atmosfera sempre più ossidata hanno modificato il mantello e spostato la fugacità dei magmi verso condizioni più ossidate.
“Il nostro studio mostra che studiare le inclusioni di apatite nello zircone utilizzando i raggi X di sincrotrone è un potente strumento per limitare un parametro critico del magma”, conclude Moreira.
Il prossimo passo per il team sarà studiare altri magmi che si cristallizzarono in periodi chiave della storia della Terra, come l’evento di ossidazione neoproterozoico (iniziato 850 milioni di anni fa) e quando emersero i primi segni di ossigeno nel periodo Archeano.
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