PRIMA EVIDENZA SPERIMENTALE DELLA DISMUTAZIONE DEL FERRO

Il mantello terrestre svelato da una meteorite

Individuato in una meteorite caduta in Cina nel 1986 un nuovo minerale formato ad altissime pressioni, denominato hiroseite, la cui presenza fornisce indizi importanti sulla composizione e formazione del mantello del nostro pianeta. Abbiamo intervistato il primo autore dell'articolo su Science Advances che riporta i dettagli della scoperta, il geologo Luca Bindi dell'Università degli studi di Firenze

     13/01/2020
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Il mantello è lo spesso strato roccioso della Terra che si trova a metà strada tra la crosta, la “pelle” del nostro pianeta, e il nucleo, il suo cuore. Esso costituisce la maggior parte del volume del nostro pianeta, e il suo studio, ovvero quello dei minerali presenti, è di grande interesse per la comprensione dei processi che vi avvengono all’interno, dai quali dipendono anche le condizioni nella soprastante crosta. Tuttavia, questo involucro è troppo profondo per essere osservato direttamente dall’uomo.

Il frammento della meteorite di Suizhou analizzato nello studio. Le frecce bianche  indicano le vene d’urto in cui il team ha scoperto l’analogo della bridgmanite insieme alle nanoparticelle di ferro metallico. Crediti: Xiande Xie / Istituto di geochimica di Guangzhou

Alcune meteoriti, però, possono fornire indizi su questo guscio altrimenti irraggiungibile. È il caso della meteorite di Suizhou, una roccia caduta il 15 aprile del 1986 a 12.5 km dalla città di Suizhou, nella provincia di Hubei, in Cina.

Una meteorite che un team internazionale di scienziati ha analizzato mediante microscopia elettronica ad alta risoluzione e spettroscopia, trovando, nelle venature di un suo campione, nanoparticelle di ferro metallico che coesistono con la bridgmanite, o meglio con un suo analogo prima d’ora mai osservato: l’hiroseite, un minerale la cui presenza – come affermano gli stessi ricercatori – è la prima prova diretta in natura della reazione di dismutazione del ferro, un particolare tipo di reazione di ossidoriduzione finora osservata solo in esperimenti ad alta pressione.

Per conoscere i dettagli della scoperta abbiamo raggiunto lo scienziato Luca Bindi, di origini pratesi, classe 1971, oggi docente di mineralogia all’Università di Firenze e primo autore dello studio pubblicato su Science Advances, condotto insieme ai colleghi Sang-Heon e Thomas G. Sharp dell’Arizona State University (U.S.A) e Xiande Xie del Guangzhou Institute of Geochemistry (Cina).

Dottor Bindi, nel vostro studio avete analizzato un campione della meteorite di Suizhou, una shocked meteorite. La prima domanda viene da sé: che significa che una meteorite è “scioccata”? 

Lo scienziato Luca Bindi, docente di mineralogia all’Università di Firenze e primo autore dello studio che ha effettuato la scoperta

«Significa che presenta delle vene contenenti minerali di alta pressione e temperatura a testimonianza del fatto che la meteorite ha subito scontri violenti (fra corpi planetari) nello spazio che hanno generato pressioni e temperature elevatissime».

Perché avete analizzato proprio questa? Voglio dire: cosa lega questa meteorite con lo strato del mantello del nostro pianeta?

«Abbiamo scelto questa meteorite perché presenta un grado di shock molto elevato. Le temperature e le pressioni raggiunte in certe porzioni della meteorite sono paragonabili a quelle delle profondità del nostro pianeta».

Le indagini  che avete condotto (microscopia elettronica ad alta risoluzione e spettroscopia) vi hanno permesso di individuare all’interno di queste venature la presenza di un minerale simile alla bridgmanite. Ma andiamo con ordine:  cos’è la bridgmanite? Che aspetto ha?

«La bridgmanite è il minerale più diffuso del nostro pianeta (ne rappresenta circa il 40 per cento in volume). È un silicato di magnesio e ferro. È trasparente ma si ritrova sempre in dimensioni piccolissime».

Perché non ne abbiamo mai sentito parlare?

«Perché non si ritrova sulla crosta terrestre, posto in cui ci sono i minerali che tutti conosciamo (gesso, quarzo, calcite, eccetera)».

E il “fratello” della bridgmanite che avete trovato, invece, cos’è?

«È semplicemente l’analogo della bridgmanite ricco di ferro. Il minerale è stato approvato dall’International Mineralogical Association (esemplare IMA 2019-019) con il nome di Hiroseite, in onore allo scienziato K. Hirose per i contributi fondamentali nella comprensione della mineralogia del mantello».

Nell’articolo si legge che la rilevazione di questo minerale rappresenta la prima “prova diretta in natura della reazione di dismutazione del ferro”. Di che reazione si tratta? E perché è importante?

Immagine al microscopio di bridgmanite trovata nel campione di meteorite di Suizhou.
Immagine di Luca Bindi / Università di Firenze

«Il ferro può esistere in tre stati di ossidazione: il ferro zero (Fe0 o ferro(0)), cioè il ferro metallico;  il ferro più due ( Fe2+ o ferro (II)) e quello più tre (Fe3+o ferro(III)). Ovviamente più l’ambiente è ossidante più saranno alte le concentrazioni di ferro II ferro III. Nella reazione di dismutazione, il ferro bivalente, cioè il ferro II, si “scinde” in ferro III e ferro metallico (3Fe2+ ⇄ 2Fe3+ + Fe0). Se nel nucleo del nostro pianeta c’è solo ferro metallico, nel mantello e nella crosta ci sono sia ferro(II) che ferro(II). Ora, è facile comprendere come mai nella crosta ci siano tutti e due, visto che siamo a contatto con l’ossigeno atmosferico. Molto più complesso e invece capire come mai nelle profondità del mantello sia presente del ferro trivalente. In pratica, quello che ci siamo chiesti è: chi ha ossidato il nostro mantello?».

A cosa è dovuta la presenza di questo ferro trivalente nel mantello, dunque?

«Una prima risposta è arrivata circa sei anni fa, quando nel 2014 viene scoperta la bridgmanite. Questo minerale è importante perché è presente nel  mantello e ha sia ferro(II) che ferro(III). Si pensò allora che forse il ferro trivalente presente nel mantello fosse dovuto proprio a questo minerale. Purtroppo non fu possibile dimostrare questa ipotesi, per il semplice fatto che di ferro nella bridgmanite ce n’era ben poco. E qui arriva la nostra scoperta: la presenza del minerale hiroseite. I sofisticati studi che abbiamo fatto su questo minerale hanno messo in luce la presenza al suo interno di piccole sfere di ferro metallico Fe(0) insieme a ferro(II) e ferro(III). In pratica abbiamo trovato il ferro in tutti e tre gli stati di ossidazione. Ma la cosa interessante è che i calcoli delle percentuali volumetriche, delle percentuali di sfere metalliche e del rapporto ferro (II) e ferro(III) nel minerale sono perfettamente in accordo con quanto previsto dalla reazione di dismutazione».

Quindi, se ho ben capito, l’aver identificato in questo minerale le tre diverse forme di ferro è una conferma che questa reazione di dismutazione, finora osservata solo in laboratorio, può  verificarsi anche in natura, nel mantello.

«Si! In pratica è la prima evidenza sperimentale della reazione di dismutazione come causa dell’ossidazione del mantello».

 Che implicazioni ha questa scoperta?

«Ha forte implicazioni su come si sia evoluto il nostro pianeta nel corso dei miliardi di anni, come si sia evoluto il clima e come si sia formato il nucleo metallico che abbiamo al centro del nostro pianeta».

 


 

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