Prima dell'instaurarsi della tettonica a placche la superficie terrestre era completamente ricoperta dal mare e sul pianeta era presente solo una crosta di tipo oceanico. Ad un certo punto è iniziata l'attività tettonica e qualcosa ha iniziato ad emergere dal mare. Quando è successo? Non è possibile saperlo direttamente, ma possiamo trovare dei dati indiretti: le prime terre emerse venivano già bagnate dalle piogge e quindi ad doveva per forza essersi instaurato un ciclo idrologico con la presenza di acqua dolce. Quale può essere un indice della presenza di acqua dolce e quindi di terre emerse? Gli zirconi possono dirci qualcosa in proposito.
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| il numero di zirconi nel tempo evidenzia che i picchi di formazione degli zirconi precedono la formazione dei supercontinenti. Da Nance et al (2014) |
GLI ZIRCONI: TRACCE AFFIDABILI DI EVENTI LONTANISSIMI. Uno zircone è per sempre: resistenti praticamente a tutto, questi cristalli sopravvivono per miliardi di anni dopo la loro formazione. Nelle aree dove esistono rocce magmatiche di ambiente orogenico o loro derivati sedimentari e metamorfici esistono zirconi di varia età che vengono riciclati nel tempo in rocce magmatiche, metamorfiche o sedimentarie successive, rimanendo inalterati.
Gli zirconi hanno un’altra caratteristica interessante: così “impermeabili” a fattori esterni come sono, contenendo uranio sono una delle fonti principali delle datazioni radiometriche, perché dal punto di vista geochimico il sistema viene "chiuso" all'atto della formazione del cristallo e cioè non subisce modifiche di alcun tipo: refrattario alla fusione in nuovi magmi, non si altera con gli agenti atmosferici o con altri agenti all'interno della crosta. Così, ad esempio, è stato visto che l'abbondanza nel tempo degli zirconi non è costante e da questo è stato facile capire la corrispondenza fra le fasi temporali ristrette in cui se ne formano di più e le fasi più acute di magmatismo orogenico, in genere durante la formazione dei supercontinenti (Nance et al, 2014).
Inoltre datare gli zirconi ha anche delle ricadute di altro tipo. Ad esempio un recente studio del rapporto isotopico dell’ossigeno in zirconi australiani ha fornito indicazioni interessanti sulla storia del ciclo dell’acqua sulla Terra e quindi sulla presenza di terre emerse, perché il sistema chiuso lascia inalterati dalla formazione dello zircone i rapporti isotopici di altri elementi contenuti nei minerali come l'ossigeno.
QUANDO LE PRIME TERRE EMERSE E L'INIZIO DEL CICLO DELL'ACQUA? GIÀ NELL'ARCHEANO! Una delle caratteristiche principali della superficie terrestre è il ciclo dell’acqua e come viene scambiata tra terra, oceani e atmosfera. Capire quando è iniziato è fondamentale per comprendere nel passato più profondo la natura degli ambienti superficiali della Terra, compresi quelli potenzialmente adatti alla vita. Quindi la domanda è: considerando che a un certo punto la Terra era un pianeta con una crosta oceanica e integralmente coperto dal mare, da quando è iniziata la formazione di crosta continentale e quindi da quando esistono parti emerse, per cui nel ciclo idrologico si è aggiunta l’acqua dolce della superficie terrestre? Una domanda che ha anche conseguenze importanti dal punto di vista biologico, perché l’interazione tra l'acqua dolce e la crosta continentale emersa potrebbe essere stata la chiave per l'emergere della vita,
I dati geochimici su reperti fossili di organismi unicellulari nel Paleoarcheano inferiore mostrano che crosta continentale emersa e - di conseguenza - acqua dolce esistevano già all'inizio del Mesoarcheano, 3,2 miliardi di anni fa e probabilmente anche prima (anche da 3,5 miliardi).
Wang et al. (2022) documentano in India un magmatismo eccezionalmente impoverito dell'isotopo pesante dell'ossigeno, il 18O, rispetto al "classico" isotopo O16 (δ18O <4,7 ‰) tra il Mesoarcheo e il primo Neoarcheano (quindi tra 3,2 e 2,7 miliardi di anni fa). Questa caratteristica è condivisa con i magmi coevi a basso δ18O in Australia, Sud America e Cina settentrionale. Tale magmatismo a basso δ18O testimonia a scala globale una interazione ad alta temperatura tra magmi e acqua dolce nella crosta più superficiale (l'acqua superficiale contiene meno Ossigeno-18 rispetto al mantello terrestre). Questo ovviamente richiede la presenza di importanti aree emerse a partire da 3,2 miliardi di anni fa, con un picco della loro formazione a 2,8–2,6.
Tuttavia, non è chiaro se un ciclo idrologico fosse operativo anche prima, nell'Eoarcheano o nell'Adeano.
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| a sinistra la posizione delle Jack Hills nel cratone dell'Australia occidentale a destra gli zirconi con basso δ18O che evidenziano interazioni fra magmi e acque meteoriche a partire da 4 miliardi di anni fa |
LE PRIME TERRE EMERSE GIÀ 4 MILIARDI DI ANNI FA. Qui vengono in soccorso gli zirconi dell’Australia occidentale, dove i cratoni di Ylgarn e Pilbara si sono amalgamati lungo l’orogene del Capricorno circa 2 miliardi di anni fa, formando il cratone dell’Australia occidentale.
Gamaleldien et al (2024) hanno esaminato la composizione isotopica dell'ossigeno di cristalli di zircone precedentemente datati provenienti dalle Jack Hills, nell'Australia occidentale, per determinare quando è iniziato il ciclo idrologico. I grani analizzati rivelano due periodi di magmatismo a 4,0–3,9 e 3,5–3,4 miliardi di anni fa caratterizzati da valori del rapporto isotopico dell’ossigeno (18O/16O) minori di quelli tipici del mantello. Tali valori richiedono l’interazione di sistemi magmatici crostali superficiali con l’acqua meteorica, e siccome questa interazione deve essere iniziata prima dell’inizio del magmatismo che ha originato questi zirconi, dalle età si ricava che già oltre 4 miliardi di anni fa esisteva dell’acqua dolce su superficie terrestre emersa dal mare.
Pertanto è probabile che già meno di mezzo miliardo di anni dopo la formazione della Terra, l’emergere della crosta continentale, la presenza di acqua dolce e l’inizio del ciclo idrologico abbiano facilitato lo sviluppo delle nicchie ambientali necessarie alla vita.
BIBLIOGRAFIA
Gamaleldien et al (2024). Onset of the Earth’s hydrological cycle four billion years ago or earlier. Nat. Geosci.(2024). https://doi.org/10.1038/s41561-024-01450-0
Nance et al (2014). The supercontinent cycle: A retrospective essay. Gondwana Research 25, 4–29
Wang, W. et al.(2022) Global-scale emergence of continental crust during the Mesoarchean–early Neoarchean. Geology 50, 184–188
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