Il regime geodinamico in evoluzione della Terra registrato dagli isotopi del titanio

Natura (2023) Cita questo articolo

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Il mantello terrestre ha una struttura a due strati, con i domini del mantello superiore e inferiore separati da una discontinuità sismica a circa 660 km (rif. 1,2). L’entità del trasferimento di massa tra questi domini del mantello nel corso della storia della Terra è, tuttavia, poco conosciuta. L'estrazione della crosta continentale provoca il frazionamento isotopico stabile del Ti, producendo residui di fusione isotopicamente leggeri3,4,5,6,7. Il riciclaggio del mantello di questi componenti può conferire una variabilità dell’isotopo Ti che è tracciabile nel tempo profondo. Riportiamo rapporti 49Ti/47Ti ad altissima precisione per condriti, antiche lave derivate dal mantello terrestre che vanno da 3,8 a 2,0 miliardi di anni fa (Ga) e moderni basalti delle isole oceaniche (OIB). La nostra nuova stima del Ti bulk silicate Earth (BSE) basata sulle condriti è 0,052 ± 0,006 ‰ più pesante del moderno mantello superiore campionato dai normali basalti della dorsale medio-oceanica (N-MORB). Il rapporto 49Ti/47Ti del mantello superiore della Terra era condritico prima di 3,5 Ga e si è evoluto in una composizione simile a N-MORB tra circa 3,5 e 2,7 Ga, stabilendo che durante questa epoca fu estratta più crosta continentale. La compensazione di +0,052 ± 0,006‰ tra BSE e N-MORB richiede che <30% del mantello terrestre sia equilibrato con materiale crostale riciclato, implicando uno scambio di massa limitato tra il mantello superiore e inferiore e, quindi, la conservazione di un serbatoio primordiale del mantello inferiore per gran parte della storia geologica della Terra. I moderni OIB registrano rapporti variabili 49Ti/47Ti che vanno dalla composizione condritica a quella N-MORB, indicando la continua disgregazione del mantello primordiale della Terra. Pertanto, la tettonica a placche di stile moderno con un elevato trasferimento di massa tra il mantello superiore e quello inferiore rappresenta solo una caratteristica recente della storia della Terra.

La storia dell’accrescimento dei pianeti terrestri è scandita da uno stadio globale di oceano di magma, che porta alla differenziazione planetaria e alla creazione di importanti serbatoi, come il nucleo, il mantello e la crosta. La successiva evoluzione e modificazione di questi serbatoi può influenzare sostanzialmente i regimi termici e geodinamici dei pianeti. Sulla base della mineralogia, della reologia e della velocità sismica, è stato stabilito che la struttura del mantello terrestre è stratificata con una discontinuità sismica principale a circa 660 km che separa i domini del mantello superiore e inferiore1,2. Tuttavia, la misura in cui si verifica il trasferimento di massa all’interno del mantello nel corso della storia geologica rimane fortemente dibattuta. I dati della tomografia sismica suggeriscono che le lastre subdotte possono penetrare nel mantello inferiore e, al tasso attuale di scambio di massa, non si prevede che il mantello primordiale della Terra sopravviva dopo una prolungata convezione su scala dell'intero mantello8,9,10. Nel frattempo, studi basati sui gas nobili11,12,13,14,15, così come sugli isotopi del tungsteno16 e del neodimio17, hanno invece suggerito l’esistenza di domini di mantello primordiale nella moderna Terra profonda. Sebbene la conservazione di un serbatoio primordiale del mantello inferiore su lunghe scale temporali geologiche sia dibattuta18,19, alcuni modelli geodinamici mostrano che la conservazione dei domini del mantello primordiale può avvenire in un regime di convezione dell'intero mantello di stile moderno caratterizzato da profonda subduzione20. Inoltre, sia la modellazione numerica che le osservazioni geologiche21,22,23,24,25 suggeriscono che il regime di convezione terrestre e, quindi, lo stile di subduzione degli lastroni potrebbero essersi evoluti considerevolmente nel tempo come conseguenza del cambiamento del flusso di calore e del trasferimento di calore25, 26. Pertanto, una potenziale soluzione all'enigma è che l'elevato trasferimento di massa tra il mantello superiore e quello inferiore dedotto dalla tomografia sismica è una caratteristica relativamente recente della storia geologica della Terra, tale che il serbatoio primordiale e meno degasato del mantello inferiore ha subito un'interruzione ma non è ancora completamente distrutta27. Questa ipotesi non è stata pienamente valutata data la mancanza di uno strumento geochimico inequivocabile in grado di tracciare fedelmente lo scambio di massa tra mantello e serbatoi crostali nel tempo profondo.