La scorrimento da dislocazione può controllare la deformazione della bridgmanite nel mantello inferiore della Terra

Perché il profondo della Terra si comporta diversamente

Lontano sotto i nostri piedi, a profondità che vanno da centinaia a oltre mille chilometri, le rocce del mantello terrestre scorrono lentamente nell’arco di milioni di anni. Questo moto profondo alimenta la tettonica a placche, modella l’attività vulcanica e influisce sul modo in cui le onde sismiche degli terremoti si propagano nel pianeta. Tuttavia, le misure sismiche hanno rivelato un enigma: attorno alle placche in subduzione le onde si comportano come se la roccia fosse “allungata” in una direzione, mentre nella maggior parte del mantello inferiore viaggiano quasi allo stesso modo in tutte le direzioni. Questo studio mostra che un unico minerale chiave, la bridgmanite, può spiegare naturalmente entrambi i comportamenti — a seconda soprattutto della temperatura.

Il minerale più comune nel profondo della Terra

Si ritiene che la bridgmanite sia il minerale più abbondante nel mantello inferiore terrestre, costituendo circa tre quarti della roccia in questa regione. A scala cristallina non è ugualmente rigida in tutte le direzioni: a seconda dell’allineamento dei suoi minuscoli cristalli, le onde sismiche possono propagarsi più velocemente in una direzione rispetto a un’altra. Quando molti grani condividono un orientamento simile — un modello chiamato orientazione preferenziale — la roccia nel suo insieme diventa dipendente dalla direzione, ossia anisotropa rispetto alle onde sismiche. Per anni gli scienziati hanno dibattuto se il mantello inferiore quasi isotropo significasse che la bridgmanite lì non si deforma per il processo di scorrimento cristallino noto come scorrimento da dislocazione, che tende a creare orientazioni preferenziali.

Ricreare il mantello profondo in laboratorio

Per affrontare il problema, i ricercatori hanno compresso campioni sintetici di bridgmanite a circa 25 gigapascal — pressioni simili a quelle a profondità intorno a 700–800 chilometri — e li hanno riscaldati a 1700–2100 kelvin. Hanno testato composizioni sia prive di ferro sia contenenti ferro, corrispondenti a quanto ci si aspetta nelle rocce del mantello reale. Usando presse speciali, hanno sottoposto i campioni a compressione e taglio a velocità controllate, quindi hanno esaminato come i piccoli grani cristallini si erano ruotati e ricristallizzati. La diffrazione a raggi X ad alta energia, eseguita presso un sincrotrone, ha permesso di mappare l’orientamento delle reticoli cristallini prima e dopo la deformazione.

Un interruttore termico nell’allineamento cristallino

Gli esperimenti hanno rivelato un chiaro interruttore guidato dalla temperatura nel modo in cui i cristalli di bridgmanite si dispongono durante la deformazione. A temperature più basse (sotto circa 1800 kelvin), i cristalli sviluppano una struttura forte e organizzata: direzioni cristalline particolari si allineano con lo sforzo applicato, creando un modello che genera marcate differenze direzionali nelle velocità delle onde. A temperature più elevate (intorno a 1900–2100 kelvin), i cristalli si riorganizzano in un diverso schema di allineamento che, sotto taglio orizzontale, porta a un’anisotropia sismica molto più debole — comportamento quasi isotropo — nonostante il meccanismo di deformazione resti lo scorrimento da dislocazione. È importante notare che questa transizione è comparsa sia nei campioni poveri di ferro sia in quelli più ricchi di ferro, suggerendo che la temperatura, non la chimica, sia il fattore dominante in queste condizioni.

Dalle strutture cristalline alle onde sismiche

Usando le orientazioni cristalline misurate insieme alle note proprietà elastiche della bridgmanite, il team ha calcolato come si propagherebbero le onde sismiche P e S attraverso queste strutture. Hanno scoperto che la struttura a bassa temperatura produce una anisotropia azimutale evidente: le onde possono viaggiare misurabilmente più velocemente lungo direzioni legate al flusso di taglio, specialmente in regioni sottoposte a taglio orizzontale come quelle sotto le placche in subduzione. Al contrario, la struttura ad alta temperatura sotto simile taglio produce solo differenze molto sottili nella velocità delle onde, dando segnature quasi isotrope. Questo fornisce una spiegazione naturale del perché si osserva una forte anisotropia sismica sotto le zone di subduzione fredde, mentre il mantello inferiore circostante, più caldo, appare quasi isotropo, senza la necessità di invocare uno stile di deformazione completamente diverso.

Ripensare il flusso del mantello profondo

Mettendo insieme questi risultati, gli autori propongono che lo scorrimento da dislocazione nella bridgmanite possa dominare la deformazione in gran parte del mantello inferiore. Nelle regioni fredde vicine alle placche in subduzione, la struttura cristallina a bassa temperatura porta a un’anisotropia forte e osservabile, coerente con molti studi sismici regionali. In regioni più calde, più profonde o più distanti, la struttura ad alta temperatura rende il mantello quasi isotropo alle onde sismiche anche se i cristalli sono ancora allineati e la roccia continua a fluire. Questo significa che l’assenza di forte anisotropia non implica necessariamente l’assenza di allineamento cristallino o il passaggio a un diverso processo di creep. Al contrario, un cambiamento controllato dalla temperatura nel comportamento microscopico della bridgmanite può unificare osservazioni precedentemente contrastanti e offre un quadro più chiaro di come l’interno profondo del nostro pianeta si muove ed evolve nel tempo geologico.

Citazione: Guan, L., Yamazaki, D., Tsujino, N. et al. Dislocation creep may control bridgmanite deformation in the Earth’s lower mantle. Commun Earth Environ 7, 183 (2026). https://doi.org/10.1038/s43247-026-03212-9

Parole chiave: mantello inferiore della Terra, bridgmanite, anisotropia sismica, convezione del mantello, scorrimento da dislocazione