Come gli scienziati hanno rivelato i segreti delle acque profonde della Terra

Uno studio innovativo rivela che l’acqua superficiale della Terra raggiunge il nucleo, modificandone la composizione e suggerendo un’interazione più dinamica tra il nucleo e il mantello e un complesso ciclo globale dell’acqua.

Alcuni decenni fa, i sismologi che analizzavano le profondità del pianeta identificarono uno strato sottile spesso poco più di poche centinaia di chilometri. L’origine di questo strato, noto come strato primario E, è rimasta finora un mistero.

Un team internazionale di ricercatori, tra cui gli scienziati dell’Arizona State University Dan Shim, Taehyun Kim e Joseph O’Rourke del College of Earth and Space Exploration, ha rivelato che l’acqua proveniente dalla superficie terrestre può penetrare in profondità nel pianeta, modificandone la composizione. La regione esterna del metallo liquido nuclea e forma un caratteristico strato sottile.

La loro ricerca è stata pubblicata il 13 novembre sulla rivista Scienze naturali della terra.

Processo di trasporto in acque profonde

La ricerca indica che nel corso di miliardi di anni, l’acqua superficiale è stata trasportata in profondità nella Terra mediante subduzione o subduzione delle placche tettoniche. Raggiungendo il confine tra il nucleo e il mantello, a circa 1.800 miglia sotto la superficie, quest’acqua innesca una profonda reazione chimica, modificando la struttura del nucleo.

Illustrazione dell’interno della Terra che rivela l’acqua in subduzione e una colonna di magma in aumento. All’interfaccia dove l’acqua incorporata incontra il nucleo, avviene uno scambio chimico per formare uno strato ricco di idrogeno nella parte superiore del nucleo esterno e una densa silice nella parte inferiore del mantello. Credito: Università di Yonsei

Reazioni chimiche al confine nucleo-mantello

Insieme al giovane Jae Lee di Università di Yonsei In Corea del Sud, Shim e il suo team hanno dimostrato attraverso esperimenti ad alta pressione che l’acqua sommersa reagisce chimicamente con i materiali di base. Questa reazione forma uno strato ricco di idrogeno e impoverito di silicio, trasformando la regione del nucleo esterno superiore in una struttura simile a una pellicola. Inoltre, la reazione genera cristalli di silice che salgono e si fondono nel mantello. Si prevede che questo strato minerale liquido modificato sarà meno denso, con velocità sismiche inferiori, in linea con le caratteristiche anomale mappate dai sismologi.

Interazione nucleo-mantello ed effetti globali

“Per molti anni, si è pensato che lo scambio fisico tra il nucleo della Terra e il suo mantello fosse piccolo. Tuttavia, i nostri recenti esperimenti ad alta pressione rivelano una storia diversa. “Abbiamo scoperto che quando l’acqua raggiunge il confine tra il nucleo e il mantello, interagisce con il silicio nel nucleo”, ha detto Shim, formando silice.” “Questa scoperta, insieme alla nostra precedente osservazione della formazione di diamanti dalla reazione dell’acqua con il carbonio nel ferro liquido sotto pressione estrema, indica un’interazione molto più dinamica tra il nucleo e il mantello, indicando un significativo scambio fisico”.

Questa scoperta fa avanzare la nostra comprensione dei processi interni della Terra, suggerendo un ciclo globale dell’acqua più esteso di quanto precedentemente riconosciuto. Il cambiamento dello “strato” del nucleo ha profonde implicazioni per i cicli geochimici che collegano il ciclo dell’acqua superficiale al nucleo minerale profondo.

Riferimento: “Uno strato ricco di idrogeno nel nucleo esterno superiore ha origine da acqua profondamente sommersa” di Taehyun Kim, Joseph J. O’Rourke, Jeongmin Lee, Stella Chariton, Vitaly Prakapinka, Rachel J. Husband, Nico Giordano, Hans-Peter Lerman, Sang-Hyun Shim e Youngjae Lee, 13 novembre 2023, Scienze naturali della terra.
doi: 10.1038/s41561-023-01324-x

Lo studio è stato condotto da un team internazionale di geoscienziati utilizzando tecniche sperimentali avanzate presso l’Advanced Photon Source presso l’Argonne National Laboratory e PETRA III del Deutsches Elektronen-Synchrotron in Germania per replicare le condizioni estreme al confine nucleo-mantello.

I membri del team e i loro ruoli chiave nell’ASU sono Kim, che ha iniziato questo progetto come studente di dottorato in visita ed è ora ricercatore post-dottorato presso la School of Earth and Space Exploration; Wasim, professore alla School of Earth and Space Exploration, che ha guidato il lavoro sperimentale ad alta pressione; O’Rourke, professore assistente presso la School of Earth and Space Exploration, ha eseguito simulazioni computazionali per comprendere la formazione e la continuità del cambiamento dello strato sottile nel nucleo. Lee ha guidato il gruppo di ricerca dell’Università di Yonsei, insieme ai principali ricercatori Vitaly Prakapinka e Stella Chariton presso l’Advanced Photon Source e Rachel Zug, Nico Giordano e Hans-Peter Lerman presso il Deutsches Elektronen-Synchrotron.

Questo lavoro è stato sostenuto dal Programma di Scienze della Terra della NSF.