Idrogeno nel mantello terrestre: indizi di uno scambio continuo col nucleo

L’idrogeno leggero che filtra dal nucleo terrestre potrebbe modificare nel tempo la composizione del mantello: le firme isotopiche osservate oggi nelle rocce profonde, quindi, non sarebbero soltanto tracce della formazione iniziale del pianeta. È la conclusione di uno studio condotto da geoscienziati dell’Università di Scienza e Tecnologia della Cina, a Hefei, e pubblicato sulla rivista Science Advances.

Per indagare l’origine delle differenze chimiche nel mantello profondo, i ricercatori hanno confrontato due ipotesi: che siano reliquie della cristallizzazione della Terra da un oceano globale di magma, oppure il risultato di uno scambio di sostanze tra nucleo e mantello protratto nel tempo. Hanno utilizzato simulazioni a integrali di cammino, potenziate dall’apprendimento automatico, per studiare il comportamento quantistico di atomi e molecole. Il metodo è stato applicato in particolare all’idrogeno, molto leggero e quindi caratterizzato da effetti quantistici insoliti.

Il gruppo ha esaminato il rapporto tra deuterio e idrogeno, o D/H: il deuterio è un isotopo più pesante dell’idrogeno comune. Questo rapporto può aiutare a capire se l’idrogeno leggero risalga dal nucleo attraverso pennacchi di magma, colonne di materiale caldo che si muovono verso la superficie. Secondo le simulazioni, però, durante la cristallizzazione dell’oceano di magma la separazione degli isotopi tra minerali e materiale fuso sarebbe stata debole. Il mantello primordiale avrebbe quindi avuto un rapporto D/H sostanzialmente uniforme, anche considerando ampie variazioni di pressione, temperatura e ipotesi del modello.

Il fattore più importante per il risultato è la composizione isotopica iniziale dell’idrogeno nell’oceano di magma. Altre variabili, come la quantità iniziale di acqua — stimata fino a due volte la massa degli oceani terrestri — avrebbero avuto un’influenza limitata. Le condizioni estremamente energetiche della Terra primordiale, spiegano i ricercatori, avrebbero impedito a deuterio e idrogeno di separarsi ordinatamente nei diversi strati del pianeta.

Per cercare tracce di uno scambio tra nucleo e mantello, gli scienziati hanno considerato anche i basalti delle isole oceaniche, o OIB, lave che si formano quando materiale proveniente da regioni vicine al confine tra nucleo e mantello risale verso la superficie. Si trovano, per esempio, sull’isola di Baffin, nel Nunavut canadese, e in Islanda. Queste rocce sembrano contenere idrogeno leggero proveniente dalla nebulosa solare, la nube di gas e polveri da cui si formarono il Sole e il Sistema solare. Quando questo idrogeno risale dal nucleo, arricchisce il mantello e ne abbassa il rapporto D/H.

Un indizio indipendente viene dall’elio. L’elio-3 è un isotopo primordiale più leggero, associato alla nebulosa solare e in gran parte originato dal Big Bang; l’elio-4, più pesante, si forma invece attraverso il decadimento radioattivo negli strati superiori della Terra. Un rapporto elevato tra elio-3 ed elio-4 nei basalti delle isole oceaniche è coerente con l’ipotesi che anche l’elio fuoriesca dal nucleo.

A completare il quadro c’è il tungsteno, un metallo pesante che durante la formazione della Terra rimase inizialmente concentrato nel nucleo, mentre il pianeta si separava in strati. Oggi un suo isotopo, trasferito in passato fuori dal nucleo, viene trasportato verso l’alto dai pennacchi di materiale. Insieme ai rapporti isotopici di idrogeno ed elio, il tungsteno offre quindi una traccia dei materiali che si muovono dalle profondità terrestri.

I risultati non escludono che nel mantello profondo siano esistiti serbatoi primordiali. Indicano però che le firme isotopiche dell’idrogeno osservate oggi nel mantello inferiore difficilmente sono semplici resti della differenziazione iniziale della Terra. Secondo i ricercatori, riflettono piuttosto le modifiche dinamiche prodotte dallo scambio continuo tra nucleo e mantello durante l’evoluzione del pianeta.