Early in the spring of 1961, a group of geologists started drilling a hole into the seafloor off the Pacific coast of Baja California. La spedizione, la prima nel suo genere, era la fase iniziale di un progetto volto a perforare la crosta terrestre e raggiungere il mantello sottostante. Non sapevano che i loro sforzi sarebbero stati presto oscurati quando John F. Kennedy lanciò la corsa alla luna nel maggio di quell’anno.
Entro la fine del 1972, dopo aver speso miliardi di dollari e attraverso lo sforzo collettivo di migliaia di scienziati e ingegneri, sei missioni Apollo atterrarono sulla compagna orbitale della Terra e portarono a casa più di 841 libbre di rocce lunari e suolo.
Nel frattempo, i geologi terrestri che sognavano di dare un’occhiata al funzionamento interno della Terra sono rimasti a mani vuote con i resti di vari programmi grazie ai tagli di bilancio.
Dagli anni ’60, i ricercatori hanno cercato di perforare il mantello terrestre ma non hanno ancora avuto successo. Alcuni tentativi sono falliti a causa di problemi tecnici; altri sono caduti in preda a vari tipi di sfortuna – tra cui, come scoperto dopo il fatto, la scelta di punti inopportuni per perforare. Tuttavia, questi sforzi hanno dimostrato che la tecnologia e l’esperienza per perforare il mantello esistono. Ed ora la prima fase del più recente tentativo di raggiungere questa parte importante del nostro pianeta sta perforando una sottile sezione di crosta oceanica nell’Oceano Indiano sud-occidentale.
Non preoccupatevi: quando i perforatori alla fine perforeranno il mantello, la roccia fusa calda non risalirà il foro e si riverserà sul fondo del mare in un’eruzione vulcanica. Anche se le rocce del mantello scorrono, lo fanno ad una velocità simile al tasso di crescita di un’unghia, dice Holly Given, un geofisico alla Scripps Institution of Oceanography di San Diego.
Il mantello è la parte più grande di questo pianeta che chiamiamo casa, ma gli scienziati ne sanno relativamente poco attraverso l’analisi diretta. La sottile patina di crosta su cui viviamo costituisce circa l’1% del volume della Terra. Il nucleo interno ed esterno – masse solide e liquide fatte in gran parte di ferro, nichel e altri elementi densi – occupa solo il 15% del volume del pianeta. Il mantello, che si trova tra il nucleo esterno e la crosta, costituisce circa il 68% della massa del pianeta e un enorme 85% del suo volume.
Pensate al mantello come a una lampada di lava delle dimensioni di un pianeta, dove il materiale raccoglie il calore al confine tra nucleo e mantello, diventa meno denso e sale in pennacchi galleggianti fino al bordo inferiore della crosta terrestre, e poi scorre lungo quel soffitto finché si raffredda e affonda di nuovo verso il nucleo. La circolazione nel mantello è eccezionalmente languida: Secondo una stima, un viaggio di andata e ritorno dalla crosta al nucleo e ritorno potrebbe richiedere fino a 2 miliardi di anni.
Avere un pezzo incontaminato del mantello è importante perché aiuterebbe gli scienziati planetari ad accertare meglio le materie prime da cui la Terra si è accresciuta quando il nostro sistema solare era giovane. “Sarebbe la verità su ciò di cui è fatto il mondo”, dice Given. La sua composizione fornirebbe anche indizi su come la Terra si è formata inizialmente e come si è evoluta nel globo multistrato che abitiamo oggi, dice.
Gli scienziati possono dedurre molto sul mantello, anche senza un campione. Le velocità e i percorsi delle onde sismiche generate dai terremoti che attraversano il pianeta forniscono informazioni sulla densità, la viscosità e le caratteristiche generali del mantello, così come su come queste proprietà variano da un luogo all’altro. Così come la velocità con cui la crosta terrestre si solleva dopo essere stata appesantita da enormi lastre di ghiaccio che si sono recentemente (in termini geologici) sciolte.
Le misurazioni dei campi magnetici e gravitazionali del nostro pianeta forniscono ancora più informazioni, restringendo i tipi di minerali che possono essere trovati nelle profondità, dice Walter Munk, un oceanografo fisico a Scripps. Lo scienziato, che ora ha 98 anni, faceva parte di un piccolo gruppo di ricercatori che per primi sognarono l’idea di perforare il mantello nel 1957. Ma questi metodi indiretti possono dire a uno scienziato solo così tanto, nota. “Non c’è nessun sostituto per avere un pezzo di ciò che vuoi analizzare nelle tue mani”.
I ricercatori hanno in mano dei campioni di mantello, ma non sono incontaminati. Alcuni sono pezzi di roccia portati sulla superficie terrestre da vulcani in eruzione. Altri sono stati spinti verso l’alto da collisioni tra placche tettoniche. Altri ancora sono saliti sul fondo del mare lungo le dorsali medio-oceaniche che si diffondono lentamente, dicono i geologi Henry Dick e Chris MacLeod. Dick, del Woods Hole Oceanographic Institution in Massachusetts, e MacLeod, dell’Università di Cardiff in Galles, sono co-leader della spedizione di trivellazione profonda che si sta concludendo nell’Oceano Indiano sud-occidentale.
Tutti gli attuali campioni di mantello sono stati alterati dai processi che li hanno portati sulla superficie terrestre, esposti all’atmosfera o immersi in acqua di mare per lunghi periodi di tempo – forse tutti i precedenti. Quei campioni di mantello esposti all’aria e all’acqua hanno probabilmente perso alcuni dei loro elementi chimici originali più facilmente dissolvibili.
Da qui il grande desiderio di ottenere un pezzo di mantello non sporcato, dice Dick. Una volta disponibile, gli scienziati potrebbero analizzare la composizione chimica complessiva di un campione così come la sua mineralogia, valutare la densità della roccia e determinare quanto facilmente conduce il calore e le onde sismiche. I risultati potrebbero essere confrontati con i valori dedotti dalle misure indirette, convalidando o confutando quelle tecniche.
Il trivellamento fino al mantello darebbe anche ai geologi uno sguardo a quella che chiamano la discontinuità Mohorovičić, o Moho, in breve. Sopra questa zona misteriosa, che prende il nome dal sismologo croato che la scoprì nel 1909, le onde sismiche viaggiano a circa 4,3 miglia al secondo, una velocità coerente con quelle onde che viaggiano attraverso il basalto, o lava raffreddata. Al di sotto della Moho, le onde viaggiano a circa 5 miglia al secondo, una velocità simile a quella con cui viaggiano attraverso un tipo di roccia ignea povera di silice chiamata peridotite. La Moho si trova tipicamente tra le 3 e le 6 miglia sotto il fondo dell’oceano e ovunque tra le 12 e le 56 miglia sotto i continenti.
Questa zona è stata a lungo considerata il confine crosta-mantello, dove il materiale si raffredda gradualmente e si attacca alla crosta sovrastante. Ma alcuni studi di laboratorio suggeriscono che è possibile che la Moho rappresenti la zona dove l’acqua che filtra dalla crosta sovrastante reagisce con le peridotiti del mantello per creare un tipo di minerale chiamato serpentino. Questa possibilità è eccitante, suggeriscono Dick e MacLeod. Le reazioni geochimiche che generano il serpentino producono anche idrogeno, che può poi reagire con l’acqua di mare per produrre metano, una fonte di energia per alcuni tipi di batteri. Oppure, notano i ricercatori, la Moho potrebbe essere qualcos’altro di completamente sconosciuto alla scienza.
La chiave per svelare i segreti del mantello è trovare la giusta posizione in cui perforare. Il materiale del mantello sale sul fondo dell’oceano in corrispondenza delle dorsali medio-oceaniche, dove le placche tettoniche si allontanano lentamente. Ma questi campioni non bastano. Lavorare attraverso pochi chilometri di crosta sotto il fondo dell’oceano cambia considerevolmente il materiale, rendendo il campione di mantello non rappresentativo di ciò che c’è nel profondo della Terra. E perforare più in profondità in una di queste dorsali è anche problematico, dice Dick. “In una dorsale oceanica o nei suoi immediati fianchi, la crosta è troppo calda per perforare più di uno o due chilometri.”
Così lui e i suoi colleghi stanno perforando in un punto dell’Oceano Indiano sud-occidentale chiamato Atlantis Bank, che si trova circa 808 miglia a sud-est del Madagascar. Molti fattori rendono questo luogo un posto eccellente per la spedizione di perforazione, dice Dick.
Per un verso, questo pezzo di fondale grande come Denver si trova in cima alla crosta oceanica che ha circa 11 milioni di anni, il che lo rende abbastanza fresco da perforare. Per un altro, la parte superiore della banca è un altopiano di 9,7 miglia quadrate che si trova entro 2.300 piedi dalla superficie dell’oceano. Questo fa sì che attingere al fondo dell’oceano lì, al contrario del fondo marino profondo 3,7 miglia nelle vicinanze, sia un gioco da ragazzi. Le forti correnti oceaniche nella zona hanno impedito ai sedimenti di accumularsi sul fondo del mare, mantenendo la crosta in gran parte esposta. È anche relativamente sottile – una precedente indagine sismica della zona ha trovato che la crosta lì è solo 1,6 miglia di spessore.
Inoltre, la crosta oceanica sotto Atlantis Bank si è formata in una sezione della dorsale medio-oceanica dove gli strati superiori della crosta nascente si sono diffusi in una direzione dalla spaccatura, mentre gli strati inferiori si sono spostati nell’altra. Gli scienziati non sono ancora sicuri di come o perché questo sia successo. Ma, a causa di questa cosiddetta diffusione asimmetrica, che probabilmente si verifica in una frazione sostanziale delle dorsali medio-oceaniche del mondo, Atlantis Bank non è ammantata di strati fragili di crosta superiore che possono frantumarsi e cadere in un foro mentre viene perforato, dice Dick. Tali detriti possono danneggiare la punta del trapano o causarne il grippaggio, oltre a rendere difficile il lavaggio di piccoli pezzi di roccia e fango dal foro.
Nonostante i vantaggi della perforazione ad Atlantis Bank, la spedizione ha subito battute d’arresto comuni a molti progetti di perforazione oceanica. Problemi con il carico della nave hanno ritardato la partenza della squadra da Colombo, Sri Lanka, di un giorno. Una volta sul posto la squadra ha rotto una punta di trapano, ma prima che potessero pescare i pezzi dal loro buco, hanno dovuto fare i bagagli e portare un membro dell’equipaggio malato a nord verso Mauritius per incontrare un elicottero a terra per un’evacuazione medica. La nave, chiamata JOIDES Resolution, è tornata dopo quasi una settimana di assenza e poi ha dovuto trascorrere un paio di giorni utilizzando un forte magnete per cercare di recuperare i pezzi della loro punta spezzata.
Non hanno mai trovato quei pezzi mancanti. Ma durante un ultimo sforzo utilizzando un forte vuoto per cercare di recuperarli, la spedizione ha riportato quello che potrebbe essere il più grande pezzo di diametro di crosta oceanica mai recuperato. Il cilindro di roccia scura a grana grossa, chiamato gabbro, è largo 7 pollici – tre volte la dimensione normale – e lungo 20 pollici.
La profondità obiettivo della squadra per questa spedizione era di 4.265 piedi nella crosta, appena a metà strada verso il mantello. Purtroppo, al 22 gennaio, la perforazione aveva raggiunto solo una profondità di 2.330 piedi sotto il fondo del mare.
Per quando questo articolo sarà pubblicato, le operazioni di perforazione saranno terminate ad Atlantis Bank per questa parte del progetto. Una seconda parte della missione, già approvata, si spera completerà il compito e attingerà al mantello. Ma questo potrebbe avvenire da due a cinque anni da ora. La concorrenza per il tempo della nave da parte di altre squadre che desiderano perforare altrove nel mondo è feroce, dice Dick.
Il team scientifico non uscirà dalla prima fase di questo progetto a mani vuote però, dice MacLeod. Recuperare campioni da tutta la crosta terrestre è anche importante. “Non abbiamo idea di quale sia la composizione della crosta oceanica in qualsiasi punto del globo”, dice Dick. Le rocce della crosta inferiore recuperate in precedenza da altri siti di perforazione profonda non sono state niente di simile a quello che i ricercatori si aspettavano, dice.
Il progetto Atlantis Bank fornirebbe uno sguardo alla composizione chimica della crosta inferiore. E un profilo completo attraverso l’intero strato aiuterebbe gli scienziati a capire come i magmi sono chimicamente e fisicamente trasformati lì – compreso il modo in cui le rocce del mantello cristallizzano e si attaccano alla superficie inferiore della crosta.
Una volta che i ricercatori avranno il loro campione di mantello, altre squadre potranno collegarsi al progetto con esperimenti propri, dice MacLeod. “Le spedizioni future potrebbero far cadere strumenti nel buco per gli anni a venire”. Per esempio, i sismologi possono inviare sensori giù nel buco profondo chilometri e poi misurare direttamente le velocità delle onde sismiche che pulsano attraverso la crosta terrestre, piuttosto che dedurle attraverso test di laboratorio su piccoli campioni di roccia. I ricercatori possono anche calare una serie di sensori di temperatura nel foro per misurare il flusso di calore dall’interno del nostro pianeta.
Indubbiamente, i campioni di crosta oceanica e di mantello recuperati alla fine da Atlantis Bank – così come i dati raccolti dal foro lasciato alle spalle – terranno impegnati geologi e geofisici per decenni a venire. Ma la pazienza è una virtù, e prendere tempo è ciò che Dick, MacLeod e i loro fratelli geofisici hanno fatto per decenni.
Nota del redattore: Questo articolo è stato aggiornato per correggere l’attribuzione di un rilevamento sismico di Atlantis Bank.