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Spiegata la plasticità delle rocce del mantello terrestre

Il mantello terrestre è uno ‘strato’ solido sottoposto ad un lento ma continuo moto convettivo.

Ma in che modo queste rocce possono deformarsi, rendendo così possibile questo movimento, dato che minerali come l’olivina, il costituente principale del mantello superiore, non presentano sufficienti difetti nel loro reticolo cristallino per spiegare le deformazioni che si osservano in natura?

Un team guidato dalla Unité Matériaux et Tranformations (CNRS/ Univerité Lille 1 / Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Lille) ha fornito una risposta inaspettata a questa domanda.

Secondo questi studiosi, si tratterebbe di piccoli comportamenti del cristallo, finora trascurati, ma che nella fisica dello stato solido vengono indicati come ‘disclinazioni’, riscontrati al bordo dei cristalli dei minerali che compongono le rocce.

Concentrandosi sull’olivina, i ricercatori, per la prima volta, sono riusciti a studiare questi comportamenti e riproporli quando i cristalli vengono sottoposti ad una sollecitazione meccanica.

Immagine di un cristallo di olivina al microscopio ottico a luce polarizzata  (credit: S.Demouchy, Montpellier)

Immagine di un cristallo di olivina al microscopio ottico a luce polarizzata
(credit: S.Demouchy, Montpellier)

I risultati, che sono stati pubblicati su Nature, vanno ben oltre la portata della mineralogia, dato che forniscono un nuovo, notevole strumento per lo studio della dinamica dei solidi e per le scienze dei materiali in genere.

Sappiamo che la Terra rilascia il suo calore attraverso i moti convettivi del mantello terrestre, e ancor più della parte immediatamente sotto la crosta.

Comprendere questa convezione è quindi fondamentale anche nello studio della tettonica delle placche.

Il mantello è costituito di rocce solide e perché questi moti possano verificarsi deve essere possibile la deformazione del reticolo cristallino dei minerali componenti queste rocce.

Finora questo sembrava un paradosso che la scienza non riusciva a spiegare esaurientemente.

Mentre i difetti nel reticolo cristallino fornivano una buona spiegazione della plasticità dei metalli, erano insufficienti a spiegare le deformazioni subite da alcune rocce del mantello.

I ricercatori sospettavano che la soluzione potesse trovarsi al bordo dei cristalli dei minerali che compongono le rocce. Tuttavia, non avevano gli strumenti concettuali necessari per descrivere il ruolo svolto da queste imperfezioni nella plasticità delle rocce.

I ricercatori di Lille, in collaborazione con altri ricercatori delle Università francesi di Montpellier e di Lorraine e della Ecole Nationale Supérieuere des Arts e Métiers di Metz, hanno potuto spiegare questo ruolo, dimostrando che il reticolo cristallino al bordo dei grani presenta un comportamento conosciuto nella fisica dei corpi solidi con il termine di ‘disclinazione’.

Per la prima volta sono riusciti ad osservarli nei cristalli di olivina, il minerale costituente il 60 per cento del mantello superiore, utilizzando un microscopio elettronico e di elaborazione specifica delle immagini.

Ma sono andati anche oltre.

Sulla base di un modello matematico, hanno dimostrato che con la ‘disclinazione’ si può spiegare la plasticità dell’olivina.

Quando viene applicata una sollecitazione meccanica, la disclinazione consente ai bordi dei grani di muoversi, permettendo così ai cristalli di olivina di deformarsi in qualsiasi direzione.

Lo scorrimento, la fluidità nel mantello non è più quindi incompatibile con la rigidità.

A detta degli scienziati, lo studio della disclinazione verrà ulteriormente applicato, oltre che ad altri minerali, anche ad altri solidi. Ad esempio, ai metalli.

Leonardo Debbia
16 marzo 2014

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Aggiunto in: Ambiente & Natura, Geologia

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