"Vedere" come è fatto il mantello terrestre: 1200 metri di crosta oceanica carotati vicino alla dorsale medio-atlantica!

la risalita del mantello sotto le dorsali oceaniche

Capire come è fatto il mantello terrestre è fondamentale per la comprensione dei processi che provocano il magmatismo, la formazione della crosta e il ciclo degli elementi tra l'interno solido della Terra, l'idrosfera, l'atmosfera e anche la biosfera. La composizione e l'evoluzione del mantello sono state dedotte tramite metodi indiretti, perché data la sua profondità, per cui non è raggiungibile sotto la spessa crosta continentale, mentre sarebbe più facile raggiungerlo sotto gli oceani, dove la discontinuità di Mohorovičić, che segna appunto il limite crosta – mantello è molto più superficiale. In effetti negli anni ‘60 in USA fu lanciato il progetto Mohole, appunto per raggiungere il mantello con una perforazione. Ma se i tempi non sono ancora maturi oggi, figuriamoci 60 anni fa.

COME CAMPIONARE IL MANTELLO TERRESTRE? La crosta oceanica contiene porzioni di mantello che sono risalite verso la superficie. I magmi oceanici, a composizione basaltica, sono tra le conseguenze di questo processo di risalita: si originano perché la diminuzione della pressione provoca la fusione di alcuni dei minerali che lo compongono, formando microscopiche pellicole di magma tra i cristalli di roccia. La fusione è selettiva, quindi è relativamente facile ricostruire per via chimica le zone che sono state interessate da questo processo, che risultano impoverite di alcuni elementi chimici. 

I materiali di queste porzioni di crosta oceanica sono quindi utili per capire il mantello. Ma come renderli disponibili alla ricerca? 

1. Alcune sezioni del mantello sono in parte conservate nelle ofioliti (frammenti di crosta oceanica appartenenti ad oceani scomparsi finiti sopra la crosta continentale nelle aree di collisione fra le placche), ma i processi tettonici hanno provocato deformazioni e alterazioni che ne obliterano alcune caratteristiche fondamentali, sia chimiche che strutturali. 

2. Alcune rocce del genere affiorano sul fondo oceanico, ma anche esse sono state sottoposte ad alterazione chimica ed inoltre si tratta in genere di materiali dragati, quindi pezzi di roccia privi del loro contesto originale.

Quindi solo le perforazioni oceaniche sono in grado di fornire l'accesso a campioni di rocce provenienti dal mantello rimasti “abbastanza inalterati”. Tra i luoghi più favorevoli a questa operazione c’è il massiccio Atlantis: un rilievo oceanico di circa 1,5–2 milioni di anni fa che forma un alto batimetrico perpendicolare alla dorsale medio-atlantica a circa 30°N sul lato occidentale della dorsale medio-atlantica, più o meno alla latitudine delle Canarie (Blackman et al, 2011). 

il Massiccio Atlantis e i pinnacoli di Lost City

IL MASSICCIO ATLANTIS, I PINNACOLI DI LOST CITY E L'ORIGINE DELLA VITA. Carotare il massiccio Atlantis serviva quindi per capire meglio di cosa e come è fatto il mantello e una delle ultime spedizioni della Joides Resolution, la nave oceanografica che purtroppo sta andando in disarmo dopo 30 anni di onorato servizio, ha perforato nel quadro della crociera 399 il fondo oceanico a largo del Portogallo tra Aprile e Giugno 2023 con l’obbiettivo di studiare il massiccio Atlantis, carotandone il basamento. L’operazione ha avuto un successo ben al di sopra delle aspettative: con l'intenzione di perforare almeno 200 metri di roccia, è stata recuperata alla fine una sezione lunga ben 1268 di peridotite del mantello abissale serpentinizzata, intervallata da sottili intrusioni di magmi a composizione basaltica che ne compongono circa il 30%, più frequenti verso il basso. I risultati sono appena stati pubblicati su Science (Lissenberg et al, 2024).

Il luogo scelto per il sito U1601 è Lost City, una zona sul lato meridionale del massiccio Atlantis, chiamata così per la presenza di fumarole che hanno formato una serie di pinnacoli.

serpentiniti del "verde Prato" a Firenze

Come era nelle previsioni nelle carote prevale la serpentinite, una roccia nota ai più come “marmo verde” (si, quello che si trova anche sul Duomo e sul battistero di Firenze alternato al classico marmo bianco apuano estratto dalle cave di Figline di Prato (da cui il termine “Verde Prato"). La serpentinite è l’alterazione della originaria peridotite che forma il mantello, composta in origine per la maggior parte da olivina più altri minerali accessori. Quindi non è un marmo, che è un carbonato, perchè è composta da silicati di ferro e magnesio.

L’idrotermalismo di Lost City è il riflesso dell’interazione fra acqua di mare e rocce del massiccio Atlantis: quando la roccia del mantello sta concludendo la sua risalita e arriva a profondità estremamente ridotte, l'esposizione all'acqua di mare che percola dall’alto produce sistemi idrotermali dinamici in cui i minerali primari nella peridotite del mantello vengono alterati in minerali secondari, tra cui serpentino e magnetite, rilasciando così l'idrogeno molecolare, il quale può ulteriormente alimentare la generazione abiotica di molecole organiche, tra cui acidi organici, idrocarburi a catena corta e metano (McCollom e Seewald, 2007): è prprio per queste emissioni di idrogeno che i sistemi idrotermali come Lost City sono stati indicati fra i possibili creatori dei mattoni fondamentali per la vita (Martin et al, 2008) 

CARATTERISTICHE DELLA CAROTA DEL MASSICCIO ATLANTIS. Nella carota non è stata recuperata peridotite non alterata in serpentinite (si va dal 40 al 100% di serpentinizzazione), il che dimostra l’ampiezza della interazione tra fluidi idrotermali e le rocce. Inoltre si nota una forte ossidazione nei 200 metri superiori. 

Il recupero di questa lunga sezione di peridotiti serpentinizzate e gabbri associati ha fornito un ottimo esempio della litologia e della struttura del mantello superiore oceanico, documentando variazioni mineralogiche che vanno da una scala centimetrica a centinaia di metri e confermando come la sepentinite sia il residuo refrattario della fusione parziale del mantello. Inoltre nonostante i gradi generalmente elevati di serpentinizzazione il materiale ricavato dal sito U1601C ha preserva le composizioni primarie meglio dei campioni del fondale marino, esposti come i 200 metri superiori della roccia carotata, ad una importante ossidazone. 

Le variazioni mineralogiche dimostrano che la fusione parziale ha interessato la massa in maniera variabile

Un altro aspetto importante è la relazone fra la massa di roccia e le fumarole di Lost City: il recupero di rocce variamente serpentinizzate da oltre la zona di ossidazione ha offerto l'opportunità di ricostruire la produzione di H2 durante la serpentinizzazione e il suo ruolo nell'alimentare l'attività microbica.

Ci sono poi due aspetti che hanno parzialmente modificato il modo di vedere la crosta oceanica e le sue dinamiche:

1. la serpentinizzazione non mostra un trend di diminuzione andando verso il basso, ma presenta grandi variazioni a scala da centimetrica a decametrica in tutta la sezione
2. contrariamente ai modelli spesso invocati, la migrazione delle masse magmatiche sembra essere stata obliqua rispetto alla risalita del mantello, mentre si supponeva fino ad oggi un movimento prevalentemente verticale

BIBLIOGRAFIA

Blackman et al. (2011).Drilling constraints on lithospheric accretion and evolution at Atlantis Massif, Mid-Atlantic Ridge 30N J. Geophys. Res. Solid Earth 116, B07103

Lissenberg et al (2024). A long section of serpentinized depleted mantle peridotite. Science 385, 623,629

Martin et al (2008). Hydrothermal vents and the origin of life. Nature Rev. Microbiol. 6, 805–814

McCollom e Seewald (2007). Abiotic synthesis of organic compounds in deep-sea hydrothermal environments. Chem. Rev. 107, 382–401