Un paio di centinaia di diamanti di dimensioni di ciottoli, strappati dal fango brasiliano, siedono all’interno di una cassaforte della Northwestern University. Per alcuni, potrebbero essere inutili. ” Sono malconci”, ha detto Steve Jacobsen, mineralogista della Northwestern. “Sembrano aver attraversato una lavatrice.”Molti sono scuri o gialli, lontani dalle gemme incontaminate dei sogni dei gioiellieri.

Tuttavia, per ricercatori come Jacobsen, questi frammenti di carbonio cristallino sono altrettanto preziosi-non per il diamante stesso, ma per ciò che è bloccato all’interno: granelli di minerali forgiati centinaia di chilometri sottoterra, in profondità nel mantello terrestre.

Queste macchie minerali — alcune troppo piccole per essere viste anche al microscopio — offrono una sbirciatina nell’interno altrimenti irraggiungibile della Terra. Nel 2014, i ricercatori hanno intravisto qualcosa incorporato in questi minerali che, se non fosse per le sue origini profonde, sarebbe stato insignificante: l’acqua.

Non gocce d’acqua reali, o addirittura molecole di H20, ma i suoi ingredienti, atomi di idrogeno e ossigeno incorporati nella struttura cristallina del minerale stesso. Questo minerale idroso non è bagnato. Ma quando si scioglie, fuori versa acqua. La scoperta è stata la prima prova diretta che i minerali ricchi di acqua esistono in profondità, tra 410 e 660 chilometri, in una regione chiamata zona di transizione, inserita tra i mantelli superiore e inferiore.

Da allora, gli scienziati hanno trovato prove più allettanti di acqua. A marzo, un team ha annunciato di aver scoperto diamanti dal mantello terrestre che hanno acqua reale racchiuso all’interno. I dati sismici hanno anche mappato i minerali adatti all’acqua in gran parte dell’interno della Terra. Alcuni scienziati ora sostengono che un enorme serbatoio d’acqua potrebbe essere in agguato molto sotto i nostri piedi. Se consideriamo tutte le acque superficiali del pianeta come un unico oceano, e ci risultano essere anche alcuni oceani sotterranei, cambierebbe il modo in cui gli scienziati pensano all’interno della Terra. Ma solleva anche un’altra domanda: da dove potrebbero provenire tutti?

Mondo dell’acqua

Senza acqua, la vita come la conosciamo non esisterebbe. Nemmeno il pianeta vivente e dinamico che conosciamo oggi. L’acqua svolge un ruolo fondamentale nella tettonica delle placche, innescando vulcani e aiutando parti del mantello superiore a fluire più liberamente. Tuttavia, la maggior parte del mantello è relativamente secca. Il mantello superiore, ad esempio, è costituito principalmente da un minerale chiamato olivina, che non può immagazzinare molta acqua.

Ma sotto i 410 chilometri, nella zona di transizione, alte temperature e pressioni spremono l’olivina in una nuova configurazione cristallina chiamata wadsleyite. Nel 1987, Joe Smyth, mineralogista dell’Università del Colorado, si rese conto che la struttura cristallina della wadsleyite sarebbe stata afflitta da lacune. Queste lacune risultano essere perfetti per atomi di idrogeno, che potrebbero coccole in questi difetti e legame con gli atomi di ossigeno adiacenti già nel minerale. Wadsleyite, Smyth trovato, può potenzialmente afferrare un sacco di idrogeno, trasformandolo in un minerale idroso che produce acqua quando si scioglie. Per scienziati come Smyth, idrogeno significa acqua.

Più in profondità nella zona di transizione, la wadsleyite diventa ringwoodite. E in laboratorio, Jacobsen (che era lo studente laureato di Smyth negli anni ‘ 90) spremeva e riscaldava pezzi di ringwoodite per imitare le condizioni estreme della zona di transizione. I ricercatori facendo esperimenti simili sia con wadsleyite e ringwoodite hanno scoperto che nella zona di transizione, questi minerali potrebbero contenere 1 a 3 per cento del loro peso in acqua. Considerando che la zona di transizione è un guscio di circa 250 chilometri di spessore che rappresenta circa il 7 per cento della massa terrestre (in confronto, la crosta è solo l ‘ 1 per cento), potrebbe contenere più volte l’acqua degli oceani della Terra.

Questi esperimenti, tuttavia, misurano solo la capacità dell’acqua. ” Non è una misura di quanto sia bagnata la spugna, è una misura di quanto la spugna possa contenere”, ha detto Wendy Panero, geofisica dell’Ohio State University.

Né gli esperimenti erano necessariamente realistici, dal momento che i ricercatori potevano solo testare la ringwoodite coltivata in laboratorio. A parte un paio di meteoriti, nessuno aveva mai visto ringwoodite in natura. Cioè, fino al 2014.

Indizi allettanti

Mentre i tifosi di calcio convergevano sul Brasile per la Coppa del Mondo 2014, un piccolo gruppo di geologi si diresse verso i terreni agricoli intorno Juína, una città quasi 2.000 chilometri a ovest di Brasilia. Erano a caccia di diamanti che erano stati stroncati da fiumi locali.

Quando i diamanti si formano nel calore e nell’alta pressione del mantello, possono intrappolare pezzi di minerali. Poiché i diamanti sono così duri e rigidi, conservano questi minerali del mantello mentre vengono fatti saltare in superficie tramite eruzioni vulcaniche.

I ricercatori hanno acquistato più di mille dei cristalli più maculati e pieni di minerali. Uno degli scienziati, Graham Pearson, ha portato diverse centinaia di nuovo al suo laboratorio presso l’Università di Alberta, dove, all’interno di un particolare diamante, lui ei suoi colleghi hanno scoperto ringwoodite dalla zona di transizione. Non solo, ma era idroso ringwoodite, il che significava che conteneva acqua — circa 1 per cento in peso.

“È una scoperta importante in termini di plausibilità”, ha detto Brandon Schmandt, sismologo presso l’Università del New Mexico. Per la prima volta, gli scienziati hanno avuto un campione della zona di transizione — ed è stato idratato. “Non è assolutamente folle, quindi, pensare che anche altre parti della zona di transizione siano idratate.”

Ma, ha aggiunto, “sarebbe anche un po’ folle pensare che un cristallo rappresenti la media dell’intera zona di transizione.”I diamanti, dopo tutto, si formano solo in determinate condizioni, e questo campione potrebbe provenire da un luogo unicamente acquoso.

Per vedere quanto potrebbe essere diffusa la ringwoodite idrosa, Schmandt ha collaborato con Jacobsen e altri per mapparla usando le onde sismiche. A causa della convezione, la ringwoodite idrosa può affondare, e mentre scende sotto la zona di transizione, la pressione crescente strizza l’acqua, causando la fusione del minerale. Appena sotto la zona di transizione in cui il materiale del mantello sta scendendo, queste pozze di minerali fusi possono rallentare bruscamente le onde sismiche. Misurando le velocità sismiche sotto il Nord America, i ricercatori hanno scoperto che, in effetti, tali piscine appaiono comuni al di sotto della zona di transizione. Un altro studio che misura le onde sismiche sotto le Alpi europee ha trovato un modello simile.

L’abbondante acqua del mantello ha ottenuto un’altra spinta a marzo quando un team guidato da Oliver Tschauner, mineralogista dell’Università del Nevada, Las Vegas, ha scoperto diamanti che contengono pezzi reali di ghiaccio d’acqua — la prima osservazione di H2O liberamente esistente dal mantello. I campioni potrebbero dire di più sulle condizioni di bagnato che hanno formato il diamante rispetto all’esistenza di qualsiasi serbatoio onnipresente. Ma poiché questa acqua-una forma ad alta pressione chiamata ice-VII-è stata trovata in una varietà di luoghi in tutta l’Africa meridionale e la Cina, potrebbe rivelarsi relativamente diffusa.

” Tra un paio d’anni, scopriremo che ice-VII è molto più comune”, ha detto Steve Shirey, geologo presso la Carnegie Institution for Science. “Ci sta dicendo che abbiamo la stessa storia che hydrous ringwoodite ci sta dicendo.”

Ma se la storia è che il mantello è pieno d’acqua, il cliffhanger ci lascia chiedendo come tutto è arrivato lì.

Origini acquose

Secondo il racconto standard, l’acqua della Terra è stata importata. La regione intorno al sole in cui si è formato il pianeta era troppo calda perché i composti volatili come l’acqua si condensassero. Quindi la Terra nascente iniziò a seccarsi, bagnandosi solo dopo che corpi ricchi di acqua del lontano sistema solare si schiantarono sul pianeta, trasportando acqua in superficie. La maggior parte di questi non erano probabilmente comete ma piuttosto asteroidi chiamati condriti carboniose, che possono essere fino al 20 per cento di acqua in peso, immagazzinandola in una forma di idrogeno come ringwoodite.

Ma se c’è un’enorme riserva d’acqua nella zona di transizione, questa storia dell’origine dell’acqua dovrebbe cambiare. Se la zona di transizione potesse immagazzinare l ‘ 1% del suo peso in acqua — una stima moderata, ha detto Jacobsen — conterrebbe il doppio degli oceani del mondo. Il mantello inferiore è molto più secco ma anche voluminoso. Potrebbe ammontare a tutti gli oceani del mondo (di nuovo). C’e ‘ anche dell’acqua nella crosta. Per la subduzione di incorporare che molta acqua dalla superficie alla velocità attuale, ci vorrebbe molto più tempo rispetto all’età del pianeta, Jacobsen ha detto.

Se questo è il caso, almeno parte dell’acqua interna della Terra deve essere sempre stata qui. Nonostante il calore nel primo sistema solare, le molecole d’acqua potrebbero aver attaccato alle particelle di polvere che si sono coalizzate per formare la Terra, secondo alcune teorie.

Eppure la quantità totale di acqua nel mantello è una cifra altamente incerta. Nella parte bassa, il mantello potrebbe contenere solo la metà dell’acqua che negli oceani del mondo, secondo Schmandt e altri.

Nella fascia alta, il mantello potrebbe contenere due o tre volte la quantità di acqua negli oceani. Se ci fosse stato molto di più, il calore aggiuntivo della Terra più giovane avrebbe reso il mantello troppo acquoso e che cola per fratturare le placche continentali, e la tettonica delle placche di oggi potrebbe non essere mai iniziata. ” Se hai un po ‘d’acqua in superficie, è fantastico”, ha detto Jun Korenaga, geofisico dell’Università di Yale. “Se hai un po’ d’acqua nel mantello, non è fantastico.”

Ma rimangono molte incertezze. Un grande punto interrogativo è il mantello inferiore, dove pressioni estreme trasformano la ringwoodite in bridgmanite, che non può contenere molta acqua. Studi recenti, tuttavia, suggeriscono la presenza di nuovi minerali acquiferi soprannominati fase D e fase H. Esattamente come sono questi minerali e quanta acqua potrebbero immagazzinare rimane una questione aperta, ha detto Panero. “Poiché è una questione aperta, penso che il contenuto di acqua nel mantello rimanga aperto al dibattito.”

Misurare lo stoccaggio interno dell’acqua della Terra non è facile. Un modo promettente è misurare la conduttività elettrica del mantello, ha detto Korenaga. Ma queste tecniche non sono ancora avanzate come, diciamo, usando le onde sismiche. E mentre le onde sismiche offrono una visione globale dell’interno della Terra, il quadro non è sempre chiaro. I segnali sono sottili e i ricercatori hanno bisogno di dati più precisi e di una migliore comprensione delle proprietà del materiale del mantello più realistico, invece di solo ringwoodite e wadsleyite. Questi due minerali costituiscono circa il 60 per cento della zona di transizione, il resto è un complesso mix di altri minerali e composti.

Trovare più diamanti con minerali idrosi aiuterebbe anche. Nel laboratorio di Jacobsen, quel lavoro spetta alla studentessa laureata Michelle Wenz. Per ogni diamante, usa potenti raggi X all’Argonne National Laboratory per mappare la posizione di ogni granello minerale, di cui potrebbe esserci una mezza dozzina. Quindi, per identificare i minerali, fa esplodere i raggi X su ogni bit e misura come i raggi si disperdono dalla sua struttura cristallina. Delle centinaia di diamanti in laboratorio, tutti provenienti dal Brasile, ne ha trovati circa 60. Ancora niente acqua.

Acqua o no, ha detto, queste capsule dal profondo sono ancora incredibili. “Ognuno è così unico”, ha detto. “Sono molto simili ai fiocchi di neve.”

Correzione: Questo articolo è stato rivisto l ‘ 11 luglio 2018, per correggere un errore tipografico; è il mantello, non l’oceano, che potrebbe contenere due o tre volte la quantità di acqua negli oceani.

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