Dalla crosta al mantello e ritorno

Per indagare il ciclo primordiale (e il ciclo delle rocce), i ricercatori hanno analizzato i basalti provenienti dalla zona delle dorsali medio-oceaniche, i cosiddetti MORB (Mid-ocean ridge basalts). In questi luoghi, le croste oceaniche si allontanano e il materiale vulcanico relativamente giovane emerge dal mantello superiore della Terra all'interfaccia. I ricercatori hanno confrontato il contenuto di uranio dei MORB con quello dei basalti provenienti da isole oceaniche come le Hawaii o le Canarie. Queste isole si trovano in mezzo alle placche e si sono probabilmente formate da colonne di magma, i pennacchi di mantello. Questi portano in superficie il materiale proveniente dal confine tra il nucleo e il mantello terrestre. È molto più antica di quella delle MORB e probabilmente ha un'età compresa tra uno e due miliardi di anni.

Per confronto, i ricercatori hanno anche determinato i rapporti degli isotopi dell'uranio di meteoriti che sono costituiti dallo stesso materiale di partenza della Terra e che quindi hanno la composizione originale dell'uranio della crosta.

L'uranio pesante resta in testa

Il rapporto isotopico tra uranio-238 e uranio-235 è risultato significativamente più alto nei MORB rispetto ai basalti insulari. Il rapporto era anche superiore a quello dei meteoriti. Secondo Andersen, ciò suggerisce che l'uranio contenuto nei MORB era in contatto con l'ossigeno sia sulla terraferma che nell'acqua e quindi si è trasformato in un momento in cui sia l'atmosfera che l'acqua erano rifornite di questo gas. Solo allora la crosta oceanica, che aveva assorbito l'uranio alterato, è stata trascinata nel mantello superiore per subduzione. La convezione, cioè il movimento cilindrico nel mantello superiore, ha infine trasportato questo materiale di placca nell'area delle dorsali medio-oceaniche e lo ha riportato in superficie come MORB.

Il coautore dello studio, Heye Freymuth dell'Università di Bristol, spiega la maggiore percentuale di uranio-238 nei MORB come segue: "Le differenze nel rapporto isotopico si formano principalmente quando l'uranio può essere presente in entrambi gli stati di ossidazione, cioè come uranio(IV) e uranio(VI). Tuttavia, ciò non è stato possibile dopo il primo aumento del contenuto di ossigeno sulla superficie terrestre, circa 2,4 miliardi di anni fa, perché gli oceani non erano ancora sufficientemente riforniti di ossigeno".

Rispetto alle condizioni di 600 milioni di anni fa, durante il secondo marcato aumento dei livelli di ossigeno, il cambiamento principale è stato che i cambiamenti nella crosta oceanica sul fondo del mare, in condizioni di ossidazione, hanno portato all'incorporazione preferenziale di uranio-238, mentre l'uranio-235, più leggero, si è accumulato nell'acqua marina.

Sebbene la crosta oceanica abbia continuato a essere trasportata nel mantello terrestre, è stata la prima volta che il rapporto isotopico dell'uranio è risultato diverso da quello del mantello terrestre a causa dell'ossidazione negli oceani.

Antichi basalti insulari

I basalti insulari sono diversi. Il loro rapporto tra uranio-238 e uranio-235 corrisponde a quello dei meteoriti di riferimento. I ricercatori spiegano questo fatto con il fatto che la vecchia crosta oceanica, che aveva poco o nessun contatto con l'ossigeno, è entrata nel mantello inferiore nel corso del tempo. Le misurazioni degli isotopi dell'uranio sui basalti insulari hanno dimostrato che queste rocce non possono provenire da giovani croste oceaniche subdotte. Le fonti di queste rocce vulcaniche devono quindi essere più antiche di 600 milioni di anni. Secondo modelli precedenti, l'età di queste fonti nel mantello profondo della Terra era compresa tra 1,8 e 2,4 miliardi di anni. Misurando gli isotopi dell'uranio nei basalti delle isole, il team di ricerca è stato in grado di confermare per la prima volta questa età.

Dibattito acceso sulla Terra primordiale

Lo studio sul ciclo dell'uranio e quindi sul ciclo crostale porta nuovi aspetti al dibattito su come la faccia della Terra sia cambiata nel corso di miliardi di anni. "Per gli scienziati della Terra, questa è una delle questioni di ricerca più scottanti", sottolinea Andersen. Gli esperti stanno discutendo in modo particolarmente vivace su come si è sviluppata la concentrazione di ossigeno nell'atmosfera. Questo perché molti processi geologici di erosione sono legati a questa concentrazione, compreso il destino dell'uranio.

"Un risultato importante di questo studio è il modo in cui le mutate condizioni della superficie terrestre e l'aumento dell'ossigeno nell'atmosfera influenzano la composizione della Terra profonda. I nostri risultati suggeriscono che l'uranio è stato mobilitato dalla superficie, trasportato nell'interno della Terra e distribuito nel mantello a causa dei cambiamenti avvenuti negli ultimi 600 milioni di anni", afferma Andersen.

Questo studio è principalmente una ricerca fondamentale. Tuttavia, le firme isotopiche dell'uranio trovate potrebbero essere utilizzate a livello commerciale per individuare depositi di uranio sconosciuti. Tuttavia, il campo di ricerca è ancora piuttosto giovane e richiede ulteriori studi. Il primo lavoro scientifico fondamentale sul rapporto isotopico U-238/U-235 è stato pubblicato solo nel 2007. Questo ha mostrato il potenziale degli isotopi dell'uranio. Lo studio di Andersen e colleghi è il primo a utilizzare il rapporto isotopico dell'uranio per analizzare le rocce magmatiche e ad applicarlo ai processi di riciclaggio nella terra profonda.