Un’illustrazione della Terra come esisteva durante parte della sua formazione miliardi di anni fa, quando un oceano di magma copriva la superficie del pianeta e si estendeva per migliaia di chilometri nel nucleo. A sinistra è mostrata una tipica cella di una simulazione condotta dai ricercatori della FSU con le posizioni relative degli atomi. Credito: Suraj Bajgain / Lake Superior State University
Durante le prime fasi della formazione della Terra, un enorme oceano di roccia fusa noto come “oceano di magma” ha ricoperto la superficie del pianeta ed è penetrato in profondità nel suo nucleo. La velocità di raffreddamento di questo “oceano di magma” ha svolto un ruolo cruciale nel modellare la struttura a strati della Terra e nel determinare la composizione chimica di quegli strati.
Precedenti ricerche avevano suggerito che ci vollero centinaia di milioni di anni perché l’oceano di magma si solidificasse, ma nuove ricerche da Università statale della Florida pubblicato in Comunicazioni sulla natura ha ridotto queste incertezze a meno di un paio di milioni di anni.
“Questo oceano di magma è stato una parte importante della storia della Terra e questo studio ci aiuta a rispondere ad alcune domande fondamentali sul pianeta”, ha affermato Mainak Mookherjee, professore associato di geologia presso il Dipartimento di Scienze della Terra, dell’Oceano e dell’Atmosfera.
Quando il magma si raffredda, forma cristalli. Dove finiscono quei cristalli dipende da quanto è viscoso il magma e dalla densità relativa dei cristalli. È probabile che i cristalli più densi affondino e quindi cambino la composizione del magma rimanente. La velocità con cui il magma si solidifica dipende da quanto è viscoso. Un magma meno viscoso porterà a un raffreddamento più rapido, mentre un oceano di magma con una consistenza più densa richiederà più tempo per raffreddarsi.
Come questa ricerca, studi precedenti hanno utilizzato i principi fondamentali della fisica e della chimica per simulare le alte pressioni e temperature nelle profondità della Terra. Gli scienziati usano anche esperimenti per simulare queste condizioni estreme. Ma questi esperimenti sono limitati a pressioni inferiori, che esistono a profondità minori all’interno della Terra. Non catturano completamente lo scenario che esisteva nella prima storia del pianeta, in cui l’oceano di magma si estendeva a profondità dove è probabile che la pressione fosse tre volte superiore a quella che gli esperimenti possono riprodurre.
Per superare questi limiti, Mookherjee e collaboratori hanno eseguito la loro simulazione per un massimo di sei mesi nella struttura di calcolo ad alte prestazioni della FSU e in una struttura informatica della National Science Foundation. Ciò ha eliminato gran parte delle incertezze statistiche nel lavoro precedente.
“La Terra è un grande pianeta, quindi in profondità, è probabile che la pressione sia molto alta”, ha affermato Suraj Bajgain, ex ricercatore post-dottorato presso la FSU che ora è visiting assistant professor presso la Lake Superior State University. «Anche se conosciamo la viscosità del magma in superficie, questo non ci dice la viscosità a centinaia di chilometri al di sotto. Trovarlo è molto impegnativo.
La ricerca aiuta anche a spiegare la diversità chimica trovata all’interno del mantello inferiore della Terra. Campioni di lava – il nome del magma dopo che ha attraversato la superficie della Terra – dalle creste sul fondo dell’oceano e da isole vulcaniche come le Hawaii e l’Islanda si cristallizzano in roccia basaltica con aspetti simili ma composizioni chimiche distinte, una situazione che ha scienziati della Terra a lungo perplessi.
“Perché hanno una chimica distinta o segnali chimici?” disse Mookherjee. “Poiché il magma ha origine da sotto la superficie terrestre, ciò significa che la fonte del magma ha una diversità chimica. In primo luogo, come è iniziata quella diversità chimica e come è sopravvissuta nel tempo geologico?
Il punto di partenza della diversità chimica nel mantello può essere spiegato con successo da un oceano di magma nella prima storia della Terra con bassa viscosità. Un magma meno viscoso ha portato alla rapida separazione dei cristalli sospesi al suo interno, un processo spesso indicato come cristallizzazione frazionata. Ciò ha creato un mix di chimica diversa all’interno del magma, piuttosto che una composizione uniforme.
Riferimento: “Insights into magma ocean dynamics from the transport properties of basaltic melt” di Suraj K. Bajgain, Aaron Wolfgang Ashley, Mainak Mookherjee, Dipta B. Ghosh e Bijaya B. Karki, 8 dicembre 2022, Comunicazioni sulla natura.
DOI: 10.1038/s41467-022-35171-y
Lo studio è stato finanziato dalla National Science Foundation.
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