Strati visivamente sorprendenti di arancione bruciato, giallo, argento, marrone e nero con sfumature blu sono caratteristici delle formazioni di ferro a bande, rocce sedimentarie che potrebbero aver provocato alcune delle più grandi eruzioni vulcaniche nella storia della Terra, secondo una nuova ricerca della Rice University.
Le rocce contengono ossidi di ferro che sono affondati sul fondo degli oceani molto tempo fa, formando strati densi che alla fine si sono trasformati in pietra. Lo studio pubblicato questa settimana in Geoscienza della natura suggerisce che gli strati ricchi di ferro potrebbero collegare antichi cambiamenti sulla superficie terrestre – come l’emergere della vita fotosintetica – a processi planetari come il vulcanismo e la tettonica a placche.
Oltre a collegare i processi planetari che generalmente si pensava fossero scollegati, lo studio potrebbe riformulare la comprensione degli scienziati della storia primordiale della Terra e fornire informazioni sui processi che potrebbero produrre esopianeti abitabili lontani dal nostro sistema solare.
“Queste rocce raccontano – letteralmente – la storia di un ambiente planetario che cambia”, ha detto Duncan Keller, autore principale dello studio e ricercatore post-dottorato presso il Dipartimento di Scienze della Terra, Ambientali e Planetarie della Rice. “Incarnano un cambiamento nella chimica atmosferica e oceanica”.
Le formazioni di ferro a bande sono sedimenti chimici precipitati direttamente dall’antica acqua di mare ricca di ferro disciolto. Si ritiene che le azioni metaboliche dei microrganismi, inclusa la fotosintesi, abbiano facilitato la precipitazione dei minerali, che nel tempo si sono formati strato su strato insieme alla selce (biossido di silicio microcristallino). I depositi più grandi si sono formati quando l’ossigeno si è accumulato nell’atmosfera terrestre circa 2,5 miliardi di anni fa.
“Queste rocce si sono formate negli antichi oceani e sappiamo che quegli oceani sono stati successivamente chiusi lateralmente da processi tettonici a placche”, ha spiegato Keller.
Il mantello, sebbene solido, scorre come un fluido all’incirca alla velocità con cui crescono le unghie. Le placche tettoniche – sezioni della crosta e del mantello superiore delle dimensioni di un continente – sono costantemente in movimento, in gran parte a causa delle correnti di convezione termica nel mantello. I processi tettonici della Terra controllano i cicli di vita degli oceani.
“Proprio come l’Oceano Pacifico viene chiuso oggi – si sta subducendo sotto il Giappone e sotto il Sud America – antichi bacini oceanici sono stati distrutti tettonicamente”, ha detto. “Queste rocce dovevano essere spinte verso l’alto sui continenti ed essere preservate – e ne vediamo alcune conservate, ecco da dove provengono quelle che stiamo guardando oggi – o subdotte nel mantello”.
A causa del loro alto contenuto di ferro, le formazioni di ferro a bande sono più dense del mantello, il che ha portato Keller a chiedersi se i pezzi subdotti delle formazioni siano affondati fino in fondo e si siano depositati nella regione più bassa del mantello vicino alla parte superiore del nucleo terrestre. Lì, sotto temperature e pressioni immense, avrebbero subito profondi cambiamenti man mano che i loro minerali assumevano strutture diverse.
“C’è un lavoro molto interessante sulle proprietà degli ossidi di ferro a quelle condizioni”, ha detto Keller. “Possono diventare altamente conduttivi dal punto di vista termico ed elettrico. Alcuni di loro trasferiscono il calore con la stessa facilità dei metalli. Quindi è possibile che, una volta nel mantello inferiore, queste rocce si trasformino in grumi estremamente conduttivi come piastre calde”.
Keller e i suoi collaboratori ipotizzano che le regioni arricchite di formazioni di ferro subdotte potrebbero favorire la formazione di pennacchi di mantello, condotti di roccia calda in aumento sopra le anomalie termiche nel mantello inferiore che possono produrre enormi vulcani come quelli che hanno formato le isole Hawaii. “Sotto le Hawaii, i dati sismologici ci mostrano un caldo condotto di mantello in risalita”, ha detto Keller. “Immagina un punto caldo sul fornello del tuo fornello. Mentre l’acqua nella tua pentola bolle, vedrai più bolle su una colonna di acqua che sale in quella zona. I pennacchi del mantello sono una specie di versione gigante di quello.”
“Abbiamo esaminato l’età deposizionale delle formazioni di ferro a bande e l’età dei grandi eventi di eruzione basaltica chiamati grandi province ignee, e abbiamo scoperto che esiste una correlazione”, ha detto Keller. “Molti degli eventi ignei – che erano così massicci che i 10 o 15 più grandi potrebbero essere stati sufficienti per far riemergere l’intero pianeta – sono stati preceduti dalla deposizione di formazioni di ferro a bande a intervalli di circa 241 milioni di anni, più o meno 15 milioni. È una forte correlazione con un meccanismo che ha senso”.
Lo studio ha dimostrato che c’era un periodo di tempo plausibile per le formazioni di ferro a bande prima di essere attirate in profondità nel mantello inferiore e quindi influenzare il flusso di calore per guidare un pennacchio verso la superficie terrestre migliaia di chilometri sopra.
Nel suo tentativo di tracciare il viaggio delle formazioni di ferro fasciato, Keller ha attraversato i confini disciplinari e si è imbattuto in intuizioni inaspettate.
“Se ciò che sta accadendo nei primi oceani, dopo che i microrganismi cambiano chimicamente gli ambienti superficiali, alla fine crea un’enorme fuoriuscita di lava da qualche altra parte sulla Terra 250 milioni di anni dopo, significa che questi processi sono correlati e ‘parlano’ tra loro”, ha detto Keller. “Significa anche che è possibile che i processi correlati abbiano scale di lunghezza molto maggiori di quanto le persone si aspettassero. Per poterlo dedurre, abbiamo dovuto attingere a dati da molti campi diversi in mineralogia, geochimica, geofisica e sedimentologia”.
Keller spera che lo studio stimolerà ulteriori ricerche. “Spero che questo motivi le persone nei diversi campi che tocca”, ha detto. “Penso che sarebbe davvero bello se questo convincesse le persone a parlare tra loro in modi rinnovati su come le diverse parti del sistema terrestre sono collegate”.
Keller fa parte del programma CLEVER Planets: Cycles of Life-Essential Volatile Elements in Rocky Planets, un gruppo interdisciplinare e multiistituzionale di scienziati guidato da Rajdeep Dasgupta, W. Maurice Ewing Professor of Earth Systems Science presso il Department of Earth di Rice, Scienze ambientali e planetarie.
“Questa è una collaborazione estremamente interdisciplinare che sta esaminando come gli elementi volatili che sono importanti per la biologia – carbonio, idrogeno, azoto, ossigeno, fosforo e zolfo – si comportano nei pianeti, come i pianeti acquisiscono questi elementi e il ruolo che svolgono in rendere i pianeti abitabili”, ha detto Keller.
“Stiamo usando la Terra come il miglior esempio che abbiamo, ma stiamo cercando di capire cosa potrebbe significare la presenza o l’assenza di uno o alcuni di questi elementi per i pianeti più in generale”, ha aggiunto.
Cin-Ty Lee, Harry Carothers Wiess Professore di Geologia, Terra, Scienze Ambientali e Planetarie della Rice e Dasgupta sono coautori dello studio. Altri coautori sono Santiago Tassara, assistente professore all’Università Bernardo O’Higgins in Cile, e Leslie Robbins, assistente professore all’Università di Regina in Canada, che hanno svolto entrambi un lavoro post-dottorato alla Yale University, e Yale Professor of Earth and Scienze planetarie Jay Ague, consulente di dottorato di Keller.
La NASA (80NSSC18K0828) e il Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (RGPIN-2021-02523) hanno sostenuto la ricerca.
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com
