Il mantello terrestre svelato da una meteorite

Individuato in una meteorite caduta in Cina nel 1986 un nuovo minerale formato ad altissime pressioni, denominato hiroseite, la cui presenza fornisce indizi importanti sulla composizione e formazione del mantello del nostro pianeta. Il mantello è lo spesso strato roccioso della Terra che si trova a metà strada tra la crosta, la “pelle” del nostro pianeta, e il nucleo, il suo cuore. Esso costituisce la maggior parte del volume del nostro pianeta, e il suo studio, ovvero quello dei minerali presenti, è di grande interesse per la comprensione dei processi che vi avvengono all’interno, dai quali dipendono anche le condizioni nella soprastante crosta. Tuttavia, questo involucro è troppo profondo per essere osservato direttamente dall’uomo.

Alcune meteoriti, però, possono fornire indizi su questo guscio altrimenti irraggiungibile. È il caso della meteorite di Suizhou, una roccia caduta il 15 aprile del 1986 in Cina. Questa meteorite è stata analizzata mediante microscopia elettronica ad alta risoluzione e spettroscopia e, nelle venature di un suo campione, sono state trovate nanoparticelle di ferro metallico che coesistono con la bridgmaniteo meglio con un suo analogo prima d’ora mai osservato: l’hiroseite, un minerale la cui presenza è la prima prova diretta in natura della reazione di dismutazione del ferro, un particolare tipo di reazione di ossidoriduzione finora osservata solo in esperimenti ad alta pressione.

I dettagli della scoperta li spiega in un’intervista il geologo Luca Bindi dell’Università degli studi di Firenze, il quale spiega che la presenza di vene contenenti minerali di alta pressione e temperatura significa che la meteorite ha subito scontri violenti (fra corpi planetari) nello spazio che hanno generato pressioni e temperature elevatissime e nel caso specifico di questo corpo celeste sembra che le temperature e le pressioni raggiunte in certe porzioni della meteorite sono paragonabili a quelle delle profondità del nostro pianeta.

Le indagini  che avete condotto (microscopia elettronica ad alta risoluzione e spettroscopia) vi hanno permesso di individuare all’interno di queste venature la presenza di un minerale simile alla bridgmanite, il minerale più diffuso del nostro pianeta (ne rappresenta circa il 40 per cento in volume). È un silicato di magnesio e ferro. È trasparente ma si ritrova sempre in dimensioni piccolissime.

Di questo minerale non si sente parlare perchè non si ritrova sulla crosta terrestre, posto in cui ci sono i minerali che tutti conosciamo (gesso, quarzo, calcite, eccetera), ma nello strato più interno, il mantello, appunto.

L’analogo della bridgmanite trovato nelle venature e ricco di ferro prende il nome di Hiroseite, in onore allo scienziato K. Hirose che lo ha identificato anche nel mantello terrestre.

«Il ferro può esistere in tre stati di ossidazione: il ferro zero (Feo ferro(0)), cioè il ferro metallico;  il ferro più due ( Fe2+ o ferro (II)) e quello più tre (Fe3+o ferro(III)). Ovviamente più l’ambiente è ossidante più saranno alte le concentrazioni di ferro II ferro III. Nella reazione di dismutazione, il ferro bivalente, cioè il ferro II, si “scinde” in ferro III e ferro metallico (3Fe2+ ⇄ 2Fe3+ + Fe0). Se nel nucleo del nostro pianeta c’è solo ferro metallico, nel mantello e nella crosta ci sono sia ferro(II) che ferro(II). Ora, è facile comprendere come mai nella crosta ci siano tutti e due, visto che siamo a contatto con l’ossigeno atmosferico. Molto più complesso e invece capire come mai nelle profondità del mantello sia presente del ferro trivalente. Una prima risposta è arrivata circa sei anni fa, quando nel 2014 viene scoperta la bridgmanite. Questo minerale è importante perché è presente nel  mantello e ha sia ferro(II) che ferro(III). Si pensò allora che forse il ferro trivalente presente nel mantello fosse dovuto proprio a questo minerale. Purtroppo non fu possibile dimostrare questa ipotesi, per il semplice fatto che di ferro nella bridgmanite ce n’era ben poco. E qui arriva la scoperta: la presenza del minerale hiroseite. Sofisticati studi effettuati che abbiamo fatto su questo minerale hanno messo in luce la presenza al suo interno di piccole sfere di ferro metallico Fe(0) insieme a ferro(II) e ferro(III). In pratica è stato trovato il ferro in tutti e tre gli stati di ossidazione. Ma la cosa interessante è che i calcoli delle percentuali volumetriche, delle percentuali di sfere metalliche e del rapporto ferro (II) e ferro(III) nel minerale sono perfettamente in accordo con quanto previsto dalla reazione di dismutazione.

In sintesi, l’aver identificato in questo minerale le tre diverse forme di ferro è una conferma che questa reazione di dismutazione, finora osservata solo in laboratorio, può  verificarsi anche in natura, come causa dell’ossidazione del mantello.

Fonte: INAF