Una roccia è precipitata a 90 chilometri di profondità nella Terra, rivelando qualcosa di inaspettato.

Le profondità della Terra continuano a riservare sorprese straordinarie, capaci di mettere in discussione le certezze consolidate della comunità scientifica. Per decenni, lo studio delle rocce metamorfiche ha permesso ai geologi di ricostruire i processi dinamici che muovono il nostro pianeta. Tra questi fenomeni, la subduzione rappresenta il motore principale della tettonica a zolle, il processo cioè in cui una placca tettonica scivola sotto un’altra sprofondando nel mantello terrestre. Finora, la scienza ha quasi sempre interpretato la presenza di rocce formate a pressioni ultraalte come la prova inequivocabile di una subduzione fredda, un ambiente cioè in cui le rocce sprofondano mantenendo temperature insolitamente basse rispetto alla profondità raggiunta. Una nuova e approfondita ricerca scientifica, condotta analizzando un campione geologico d’eccezione proveniente dalla Papua Nuova Guinea orientale, dimostra che la realtà è molto più complessa e che la storia termica di questi viaggi sotterranei nasconde una svolta inattesa.

Il viaggio straordinario delle rocce nelle viscere della Terra

Per comprendere la portata di questa scoperta, bisogna prima osservare cosa accade quando una porzione della crosta terrestre viene trascinata verso il basso. Quando una zolla rocciosa viene inghiottita in una zona di subduzione, sperimenta un aumento drastico della pressione e della temperatura. Le rocce originarie subiscono una trasformazione radicale, mutando la propria struttura cristallina e la composizione minerale. Nel corso degli anni, i geologi hanno stabilito che il ritrovamento di minerali specifici, come il coesite (una forma di silice estremamente compatta che si forma solo a pressioni straordinarie superiori a $2,7\text{ GPa}$), testimonia il raggiungimento di profondità superiori ai novanta chilometri.

L’ipotesi dominante nella geologia moderna considerava queste condizioni di alta pressione e bassa temperatura come una costante per tutta la durata del processo di discesa. Si pensava che la roccia discendesse lungo un gradiente termico costantemente freddo. Tuttavia, mancavano prove dirette e dettagliate sull’intera evoluzione iniziale del percorso di discesa, noto in termini scientifici come evoluzione prograda, poiché le fasi iniziali e intermedie vengono spesso cancellate o alterate dalle successive ondate di calore e pressione estema.

La scoperta eccezionale in Papua Nuova Guinea orientale

L’isola di Goodenough, situata nella Papua Nuova Guinea orientale, si è rivelata un laboratorio naturale perfetto per verificare questa teoria. In questa regione, i frammenti continentali australiani coinvolti nella collisione tettonica vengono attivamente spinti verso l’alto e riesumati in superficie, offrendo ai ricercatori l’accesso a rocce giovanissime sotto il profilo geologico. Analizzando un frammento di eclogite parzialmente retrogresa (un tipo di roccia metamorfica ad alta pressione) raccolto nella baia di Taleba, un team internazionale di geoscienziati ha condotto un’analisi microscopica e geochimica senza precedenti.

All’interno dei cristalli di granato che compongono la roccia, i ricercatori hanno individuato microscopiche inclusioni di coesite racchiuse nelle zone intermedie di crescita, confermando che il campione ha raggiunto le profondità tipiche dell’ultraalta pressione. La vera rivoluzione è arrivata datando le inclusioni di zircone presenti nel minerale ospite tramite tecniche avanzate di spettrometria di massa, che hanno permesso di stabilire un’età di circa $4,4\text{ milioni di anni}$ per la fase di ultraalta pressione, rendendo questa roccia una delle eclogiti a coesite più giovani della Terra.

Il cambio di rotta termico e la velocità impressionante della discesa

Attraverso modelli termodinamici complessi, l’analisi chimica zonale dei granati e la termometria basata sul contenuto di zirconio nel rutilo, il team è riuscito a ricostruire l’intero film della discesa della roccia nel mantello. I risultati hanno delineato uno scenario sorprendente e bifasico:

• Nella prima fase della subduzione, corrispondente alla crescita del nucleo del granato fino a circa quarantacinque chilometri di profondità, la roccia ha seguito un percorso termico relativamente caldo, caratterizzato da un gradiente apparente medio di circa $470\text{ }^\circ\text{C GPa}^{-1}$.

• Raggiunta questa soglia, si è verificata una brusca inversione di tendenza: il sistema termico è passato a un regime decisamente freddo, imprimendo alla roccia un’accelerazione di subduzione straordinaria, con velocità verticali superiori a $60\text{ mm yr}^{-1}$.

Questo significa che il percorso compiuto dalla roccia non è stato lineare né uniformemente freddo, contrariamente a quanto si è creduto finora. Nelle fasi superficiali e intermedie del tragitto, il sistema geologico ha generato o tollerato temperature ben superiori alle attese, prima di imboccare la strada delle basse temperature tipica delle grandi profondità.

Quali sono le cause di questo riscaldamento iniziale?

Gli scienziati hanno dovuto interrogarsi sui meccanismi fisici capaci di spiegare un simile comportamento. L’analisi dei dati ha permesso di identificare due cause principali, probabilmente complementari:

• Il riscaldamento per attrito da cisaglie: L’energia dissipata meccanicamente lungo la superficie di contatto tra le placche tettoniche in movimento può liberare una quantità di calore notevole, sufficiente a innalzare la temperatura delle rocce nelle fasi iniziali dell’interazione.

• La fase non stazionaria di una zona di subduzione giovane: Trattandosi di un sistema tettonico relativamente recente, la zolla non ha raggiunto quel regime termico stabile e consolidato tipico delle zone di subduzione mature, generando fluttuazioni marcate nel profilo delle temperature durante i primi milioni di anni di attività.

Questa scoperta dimostra che dedurre l’intera storia di una subduzione basandosi esclusivamente sulle condizioni di picco metamorfico può essere fuorviante. Rocce che mostrano caratteristiche finali fredde potrebbero aver vissuto un’infanzia calda, e viceversa. La geologia della Terra profonda si conferma dunque un sistema dinamico e complesso, in cui la variabilità temporale gioca un ruolo fondamentale che la ricerca scientifica sta iniziando soltanto ora a decifrare con precisione.

Approfondimenti tecnici

• Composizione del campione e zonazione del granato: L’analisi della roccia (campione $03118\text{b}$) evidenzia un assemblaggio minerale retrogreso composto da granato ($\approx 38\text{ vol}\%$), quarzo ($\approx 22\text{ vol}\%$), clinopirosseno omfacitico ($\approx 16\text{ vol}\%$) e plagioclasio albitico ($\approx 10\text{ vol}\%$). Il granato mostra una forte zonazione chimica: il nucleo presenta il tenore più alto di calcio e più basso di magnesio ($23,8\%$ di grossularia, $16,4\%$ di piropo), il mantello mostra una diminuzione del calcio e un aumento del magnesio ($18,2\%$ di grossularia, $17,3\%$ di piropo), mentre il bordo registra una nuova risalita del calcio ($20,5\%$ di grossularia).

• Inclusioni multifase e nanogranitoidi: All’interno dei granati sono state rinvenute inclusioni polifase interpretate come gocce di fuso silicate (nanogranitoidi) cristallizzate, contenenti polimorfi di $\text{SiO}_2$ (quarzo o cristobalite), feldspati polimorfi come kumdykolite ($\text{NaAlSi}_3\text{O}_8$), kokchetavite ($\text{KAlSi}_3\text{O}_8$) e dmisteinbergite ($\text{CaAl}_2\text{Si}_2\text{O}_8$), oltre a fillosilicati e materia carboniosa. L’esperimento di riomogeneizzazione condotto su queste inclusioni a $750\text{ }^\circ\text{C}$ e $2,5\text{ GPa}$ ha confermato condizioni suprasolidus durante la crescita del nucleo del granato.

• Termometria e stime P-T: Le stime delle condizioni di pressione e temperatura indicano che il nucleo del granato è cresciuto a circa $1,5\pm 0,2\text{ GPa}$ e $700\pm 20\text{ }^\circ\text{C}$, mentre il mantello del granato si è formato a pressioni superiori a $2,9\text{ GPa}$ e $800\pm 25\text{ }^\circ\text{C}$, validate anche dalla geotermometria dello zirconio nel rutilo (valori di $\text{Zr}$ passati da $351\text{ }\mu\text{g g}^{-1}$ nel nucleo a $585\text{ }\mu\text{g g}^{-1}$ nel mantello).

• Geocronologia U-Pb sugli zirconi: L’analisi isotopica eseguita mediante microsonda ionica su $17$ grani di zircone inclusi nel granato ha definito un intervallo di età compreso tra $5,1\pm 0,2\text{ Ma}$ e $3,1\pm 0,1\text{ Ma}$. I bassi rapporti $\text{Th/U}$ ($<0,05$) e l’andamento delle terre rare pesanti (HREE) hanno permesso di collegare temporalmente la transizione della subduzione rapida (>60 mm yr$^{-1}$ in verticale) all’intervallo compreso tra $5,1$ e $4,4\text{ milioni di anni fa}$.

Traduzione abstract. La disponibilità dello studio completo, in accesso libero o riservato, è verificabile tramite il link del DOI nel box sotto se disponibile.

Abstract

La subduzione di rocce crostali a profondità superiori a 90 km nel campo di stabilità del minerale coesite, e la loro successiva esumazione, è nota come metamorfismo ad altissima pressione, ampiamente considerato come prova di una subduzione fredda. Questa ipotesi deriva dalle condizioni metamorfiche di picco delle rocce ad altissima pressione, che indicano bassi gradienti di subduzione inferiori a 330 °C GPa−1, ma mancano prove dirette di tale evoluzione progradante a freddo. In questo studio, riportiamo la scoperta di una giovane eclogite ad altissima pressione nella Papua Nuova Guinea orientale. Abbiamo rinvenuto inclusioni di coesite di dimensioni (sub)micrometriche nelle zone di crescita intermedie dei cristalli di granato e inclusioni di zircone che rivelano un’età U-Pb di circa 4,4 milioni di anni. Osservazioni petrografiche e metodi termobarometrici mostrano che il percorso di subduzione progrado era inizialmente caldo, con un gradiente medio apparente di circa 470 °C GPa−1 fino a una profondità di circa 45 km, prima di passare a un regime termico freddo con tassi di subduzione ultrarapidi superiori a 60 mm yr−1 (componente verticale). Questo cambiamento nei gradienti geotermici può essere spiegato dal riscaldamento da taglio e/o dalla formazione durante la fase non stazionaria di una giovane zona di subduzione. Proponiamo che elevati gradienti geotermici a livelli superficiali di sistemi di subduzione profondi possano essere comuni, mettendo in discussione l’uso delle condizioni metamorfiche di picco come indicatore delle strutture termiche delle zone di subduzione.

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