Quando l’acqua accese i vulcani della Terra primordiale

“Un ammasso di roccia cessa di essere un mucchio di roccia nel momento in cui un solo uomo la contempla immaginandola, al suo interno, come una cattedrale.”

— Antoine de Saint-Exupéry

Più di tre miliardi di anni fa la Terra era molto diversa da quella attuale. Il pianeta conservava una quantità maggiore di calore interno, la crosta era più sottile e instabile e i continenti occupavano una porzione assai ridotta della superficie. Anche il funzionamento della tettonica era probabilmente differente: non sappiamo con certezza se esistessero già placche rigide capaci di scorrere e immergersi nel mantello come accade oggi nelle zone di subduzione.

Una ricerca pubblicata su Nature Communications ha affrontato questo problema studiando una successione di rocce vulcaniche formatasi tra 3,13 e 3,10 miliardi di anni fa nel cratone di Pilbara, nell’Australia occidentale. Le loro caratteristiche chimiche indicano che il mantello da cui derivarono conteneva quantità d’acqua paragonabili a quelle presenti sotto gli archi vulcanici moderni. Secondo gli autori, tuttavia, questi magmi non sarebbero stati prodotti da una vera subduzione a placche, ma da un processo più discontinuo e localizzato chiamato dripduction, traducibile come “subduzione a goccia”. La scoperta offre quindi una possibile spiegazione di come l’acqua superficiale potesse essere riciclata nel mantello prima dell’affermazione della moderna tettonica delle placche.

Vandenburg, E.D., Nebel, O., Smithies, R.H. et al. Modern arc-like water content in the source of 3.1-billion-year-old volcanic rocks. Nat Commun 17, 5630 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-74653-1

Un archivio geologico eccezionalmente antico

Le rocce analizzate appartengono al Whundo Group, una formazione vulcanica del cratone di Pilbara. I cratoni sono le porzioni più antiche e stabili della crosta continentale: veri e propri archivi nei quali sono sopravvissuti frammenti della Terra primordiale. La loro importanza è enorme, perché gran parte della crosta formatasi nell’Archeano, l’eone compreso tra 4 e 2,5 miliardi di anni fa, è stata successivamente distrutta, trasformata o riciclata nel mantello.

Il Whundo Group rappresenta un caso particolarmente prezioso. Le sue rocce hanno subito metamorfismo e deformazioni relativamente limitati, conservando strutture vulcaniche originarie che raramente sopravvivono per più di tre miliardi di anni. Sono ancora riconoscibili, per esempio, basalti a cuscino prodotti da eruzioni sottomarine, fratture dovute al raffreddamento della lava e tessiture che suggeriscono la presenza di magma saturo d’acqua. La successione studiata raggiunge circa dieci chilometri di spessore e registra un’attività vulcanica protrattasi per alcune decine di milioni di anni.

La buona conservazione ha permesso ai ricercatori di misurare elementi chimici normalmente molto sensibili all’alterazione. Tra questi vi sono rubidio, bario, stronzio e cesio, definiti “elementi mobili nei fluidi” perché possono essere facilmente trasportati dall’acqua ad alta temperatura. In rocce molto antiche, la loro distribuzione originaria viene spesso cancellata dai processi geologici successivi. Nel caso di Whundo, invece, le concentrazioni osservate sembrano riflettere in larga parte quelle dei magmi primitivi.

Questa circostanza rende la formazione australiana una sorta di capsula del tempo. Analizzandone la composizione è possibile ricostruire non soltanto che cosa eruttò in superficie, ma anche quali processi avvennero decine di chilometri più in profondità, nel mantello terrestre.

**Contesto geologico e stratigrafia del Gruppo Whundo, e immagini che dimostrano l’eccezionale conservazione delle strutture primarie nelle lave primitive di Whundo.** Il Gruppo Whundo ha subito solo bassi gradi di metamorfismo e deformazione, conservando così strutture vulcaniche macroscopiche su una scala raramente osservabile nelle rocce archeane. a Mappa geologica del Terreno centrale di Sholl, che illustra la distribuzione delle rocce vulcaniche del Gruppo Whundo. I diversi simboli indicano la posizione dei campioni discussi in questo studio, come riportati nelle figure seguenti. L’inserto mostra le divisioni litotettoniche della porzione affiorante del Cratone di Pilbara. b Colonna chemostratigrafica schematica del Gruppo Whundo, che mostra le proporzioni relative delle unità e la posizione di campioni specifici. c Basalto massiccio ricoperto da scorie; si noti l’alterazione recessiva dei frammenti più grandi, delle dimensioni di lapilli. d I basalti a cuscino conservano le strutture deposizionali originali, comprese le fessure di raffreddamento radiali e i margini ricchi di vescicole. e Basalto a cuscino con struttura variolitica, indicante saturazione di H₂O (cfr. rif. 98). Le età U-Pb sono tratte dal rif. 99, mentre le mappe utilizzano i dati del rif. 100. Abbreviazioni: CPTZ — Zona tettonica centrale del Pilbara, EPT — Terreno del Pilbara orientale, HSB — boninite ad alto contenuto di Si, LOTI — basalto a basso contenuto di Ti, LSB — boninite a basso contenuto di Si, MCB — Bacino di Mosquito Creek e WPS — Superterreno del Pilbara occidentale.

Tre famiglie di lava, simili a quelle degli archi moderni

I ricercatori hanno identificato tre principali serie magmatiche: basalti tholeiitici, basalti calcalcalini e boniniti. La loro compresenza è particolarmente significativa perché ricorda la varietà di magmi osservata negli attuali sistemi di arco vulcanico e retroarco, come quelli che si sviluppano lungo i margini dell’Oceano Pacifico.

I basalti tholeiitici sono comuni in molti ambienti geologici. Possono formarsi quando il mantello risale, la pressione diminuisce e una parte delle rocce profonde fonde senza che sia necessario aggiungere grandi quantità d’acqua. Questo processo, chiamato fusione per decompressione, si verifica oggi soprattutto lungo le dorsali oceaniche e nelle aree in estensione.

I basalti calcalcalini, al contrario, sono strettamente associati agli archi vulcanici. Presentano caratteristiche chimiche che indicano l’intervento di fluidi provenienti da materiale litosferico riciclato in profondità. Nelle zone di subduzione moderne, la placca oceanica che sprofonda rilascia acqua e altri composti volatili. Questi fluidi penetrano nel mantello sovrastante, ne abbassano la temperatura di fusione e favoriscono la produzione di magma.

Ancora più rilevante è la presenza delle boniniti, lave ricche in magnesio e silice ma povere in titanio. Oggi si formano soprattutto nelle fasi iniziali della subduzione, quando fluidi ricchi d’acqua interagiscono con porzioni di mantello già impoverite da precedenti episodi di fusione. Nel Whundo Group, le boniniti non compaiono come pochi campioni isolati, ma costituiscono una successione estesa e stratigraficamente riconoscibile. Secondo lo studio si tratta del più antico esempio noto di vulcanismo boninitico diffuso e volumetricamente significativo.

Sono state inoltre individuate lave con composizione intermedia tra boniniti e basalti calcalcalini. I modelli geochimici suggeriscono che esse si siano formate mescolando magmi diversi durante la loro risalita. Il sistema vulcanico di Whundo non sarebbe dunque il prodotto di una singola sorgente uniforme, ma di un ambiente dinamico nel quale differenti porzioni di mantello fondevano e interagivano.

Le impronte chimiche lasciate dall’acqua

L’acqua non viene conservata direttamente nelle lave per miliardi di anni. Durante un’eruzione, gran parte dei gas disciolti nel magma si libera nell’atmosfera o nell’oceano. Per stimare quanta acqua fosse presente nel mantello, gli scienziati devono quindi ricorrere a indicatori indiretti.

Nel caso delle rocce di Whundo, un elemento decisivo è il rapporto tra elementi facilmente trasportati dai fluidi e altri che rimangono più stabilmente nei minerali. La variazione di rapporti come bario/torio e cesio/lantanio mostra che i basalti calcalcalini e le boniniti furono generati attraverso una fusione assistita da fluidi. In termini semplici, il mantello non si sarebbe fuso soltanto perché molto caldo o perché sottoposto a una diminuzione di pressione: avrebbe ricevuto acqua dall’esterno.

I basalti tholeiitici raccontano una storia diversa. La loro composizione è più compatibile con una fusione per decompressione e mostra un’influenza molto minore dei fluidi. All’interno della stessa successione vulcanica agivano quindi almeno due meccanismi: da una parte la risalita e la fusione relativamente “secca” del mantello; dall’altra l’aggiunta di fluidi che produceva magmi calcalcalini e boninitici.

Le simulazioni termodinamiche hanno consentito di stimare il contenuto minimo d’acqua necessario. Per generare i basalti calcalcalini, il mantello avrebbe dovuto contenere approssimativamente tra lo 0,16 e l’1,98% in peso di acqua. Per alcune boniniti, la stima minima è compresa circa tra lo 0,79 e l’1,53%. Sono valori molto superiori a quelli del mantello terrestre primitivo, valutati intorno allo 0,11%, e ancora più distanti dal mantello impoverito moderno, che può contenere circa lo 0,01% d’acqua.

La somiglianza con il contenuto idrico delle attuali porzioni di mantello situate sopra le placche in subduzione è sorprendente. Significa che, già 3,1 miliardi di anni fa, acqua proveniente dalla superficie poteva raggiungere il mantello e modificarne profondamente il comportamento, anche se la tettonica globale non funzionava ancora necessariamente come oggi.

**Profili degli elementi in traccia delle lave primitive del Gruppo Whundo rispetto a litologie medie selezionate.** Profili degli elementi in traccia normalizzati al mantello primitivo dei basalti toleiti (a), dei basalti calco-alcalini (b), delle boniniti (c) e delle lave di transizione boninite-calco-alcaline (d). Le linee continue e tratteggiate rappresentano rispettivamente le mediane e il 75° (superiore) e il 25° percentile (inferiore) di ciascuna serie magmatica, mentre le aree ombreggiate indicano il loro intervallo. I basalti toleitiici presentano la maggiore somiglianza con i basalti della Formazione Regal del Terreno Regal del Cratone di Pilbara, con caratteristiche simili a quelle della serie V1 dell’Ofiolite di Semail. I basalti calc-alcalini condividono caratteristiche simili ai basalti calc-alcalini dell’Arco di Salomone, ai basalti a basso contenuto di Ti arricchiti di Nuvvuagittuq (>3,8 Ga) e ai basalti “di tipo arcale” di Isua (circa 3,8 Ga). I profili LILE-HFSE-L-MREE delle boniniti di Whundo assomigliano maggiormente a quelli delle boniniti di Frotet-Evans (Opatica) di circa 2,8 Ga, ma con profili HREE a forma di cucchiaio (inflessione in corrispondenza del Dy), il che suggerisce una petrogenesi unica che coinvolge il granato nella fonte mantellica prima dell’impoverimento. I profili degli elementi in traccia dei campioni di tipo boninitico-calco-alcalino di transizione suggeriscono che essi rappresentino miscele magmatiche di basalti calco-alcalini e l-boniniti. Abbreviazioni: LOTI – basalto a basso contenuto di Ti. Le litologie di Nuvvuagittuq provengono dal rif. 31, le toleiti di Isua e le litologie “di tipo boninite” provengono rispettivamente dai rif. 30 e 103, la boninite di Troodos a basso contenuto di Si proviene dal rif. 46 e le boniniti di Bonin a basso contenuto di Si provengono dal rif. 93.

Un mantello eterogeneo e la firma del “granato fantasma”

La composizione delle boniniti di Whundo ha rivelato anche una sorgente del mantello particolarmente complessa. Secondo i modelli, essa comprendeva una componente dominante di harzburgite ultrarefrattaria, cioè una roccia del mantello già sottoposta in passato a un’intensa fusione e quindi privata di molti elementi facilmente incorporabili nei magmi.

Questa antica fusione sarebbe avvenuta a profondità nelle quali il granato era stabile. Il processo sarebbe proseguito fino alla completa scomparsa del granato dal residuo. In seguito, le rocce impoverite sarebbero risalite verso livelli meno profondi e si sarebbero mescolate con porzioni più comuni del mantello superiore.

Pur non essendo più presente, il granato avrebbe lasciato un’impronta nella distribuzione degli elementi delle terre rare pesanti. Gli autori definiscono questa caratteristica una firma da “granato fantasma”: la composizione chimica conserva la memoria di un minerale che era presente durante un antico episodio di fusione, ma che fu successivamente consumato.

Per spiegare le boniniti, i ricercatori ipotizzano una sorgente composta per circa il 70-82% da questa harzburgite ultrarefrattaria, mescolata con una quota minore di mantello superiore. Il materiale sarebbe stato poi nuovamente arricchito da fluidi contenenti acqua ed elementi incompatibili. Una successiva fusione parziale avrebbe prodotto i magmi boninitici.

Questa ricostruzione mostra quanto il mantello archeano fosse eterogeneo. Non era un serbatoio uniforme, ma conteneva residui di precedenti eventi magmatici, materiali risaliti da profondità differenti e zone localmente arricchite da fluidi. Le lave di Whundo rappresentano il risultato finale di una storia geologica composta da più fasi: fusione profonda, impoverimento, risalita, mescolamento, reidratazione e nuova fusione.

La “dripduction”, una subduzione senza vere placche

Resta da spiegare come l’acqua sia arrivata nel mantello. Nella Terra attuale il meccanismo principale è la subduzione: una placca oceanica fredda e rigida si immerge sotto un’altra placca formando un piano inclinato che può estendersi per centinaia di chilometri. Ma nell’Archeano il mantello era più caldo e la litosfera probabilmente più debole e deformabile. Una placca sottile e duttile avrebbe avuto difficoltà a mantenersi integra durante una lunga discesa.

Gli autori propongono quindi la dripduction. In questo modello, porzioni di litosfera basaltica, raffreddate e idratate dall’interazione con l’oceano, diventano più dense delle rocce sottostanti. Anziché muoversi come una placca continua, iniziano a incurvarsi e a sprofondare localmente nel mantello, assumendo una forma simile a una goccia o a una lingua inclinata.

Durante la discesa, i minerali idrati diventano instabili e rilasciano acqua. I fluidi risalgono nel mantello circostante, ne abbassano la temperatura di fusione e producono magmi con caratteristiche simili a quelle degli archi vulcanici moderni. Il segmento discendente può però spezzarsi rapidamente, interrompendo il processo. La dripduction sarebbe quindi episodica, localizzata e incapace di generare margini di placca continui e duraturi.

Nel caso di Whundo, questo processo potrebbe essersi sviluppato lontano dai nuclei più spessi dei primi continenti, in una regione di crosta giovane e relativamente sottile formatasi dopo la frammentazione di un antico plateau. Tale collocazione avrebbe favorito l’instabilità gravitativa e l’affondamento di porzioni di litosfera idratata.

La dripduction potrebbe rappresentare una fase di transizione nell’evoluzione della Terra: più complessa della semplice risalita verticale del mantello, ma non ancora equivalente alla tettonica delle placche moderna. Avrebbe comunque permesso di trasferire acqua, carbonio, azoto e altri elementi dalla superficie alle profondità terrestri, collegando oceano, atmosfera, crosta e mantello.

**Schema schematico della petrogenesi della lava primitiva da dripduzione nell’Archeano e delle origini delle boniniti del Mesoarcheano.** a Le correnti ascensionali al di sotto degli altipiani protocratonici mafici-ultramafici determinano prevalentemente la crescita dell’altipiano attraverso un esteso vulcanismo basaltico generato a profondità mantelliche relativamente basse, ma producono anche komatiiti non impoverite di alluminio (AUK) attraverso la fusione oltre il punto di esaurimento del granato a profondità maggiori, lasciando residui di harzburgite ultra-impoverita e priva di clinopirosseno con tracce di “granato fantasma”. b A causa della loro densità inferiore rispetto al mantello circostante contenente granato, le harzburgiti si segregano e si spostano verso l’alto in direzione della sommità dell’astenosfera, venendo forse trasportate lontano dai protocratoni tramite convezione. Ulteriori risalite potrebbero innescare la frammentazione dei proto-cratoni sovrastanti, producendo una crosta giovanile intermedia al di fuori dell’altopiano. ci Decine di milioni di anni dopo, si forma una zona di dripduzione all’interno della crosta al di fuori dell’altopiano, dove la fusione del mantello lherzolitico, indotta dal flusso di fluidi, produce basalti calco-alcalini. Il flusso angolare del mantello indotto dalla dripduzione trascina i residui harzburgitici ultra-impoveriti, trasportandoli verso il cuneo mantellico. Quantità minori di mantello ambientale si mescolano ai residui ultra-impoveriti, dando origine a fonti mantelliche ibride con composizioni globali harzburgitiche povere di clinopirosseno.
**cii** Analogamente all’arco di Tonga moderno, i magmi boninitici con tracce di “granato fantasma” si formano quando le fonti mantelliche ibride harzburgitiche trascinate entrano nel regime di fusione dell’arco e subiscono una fusione con flussante. L’estensione locale innesca la fusione per decompressione della lherzolite del cuneo mantellico re-arricchita, producendo basalti toleiti. Si noti che ci e cii sono temporalmente intercambiabili, forse addirittura contemporanei. I pannelli non sono in scala.

In conclusione…

Le rocce vulcaniche del Whundo Group mostrano che 3,1 miliardi di anni fa il mantello terrestre poteva contenere localmente quantità d’acqua simili a quelle delle attuali zone di subduzione. La presenza congiunta di basalti tholeiitici, basalti calcalcalini e boniniti testimonia un sistema magmatico complesso, alimentato sia dalla fusione per decompressione sia dall’aggiunta di fluidi.

Lo studio non dimostra necessariamente che la moderna tettonica delle placche fosse già pienamente attiva. Propone invece uno scenario intermedio: porzioni di litosfera oceanica idratata sprofondavano in modo discontinuo e locale, rilasciando acqua nel mantello e producendo magmi simili a quelli degli archi vulcanici odierni.

Questa interpretazione amplia la nostra comprensione della Terra primordiale. Il riciclo dell’acqua tra superficie e interno del pianeta potrebbe essere iniziato prima della comparsa di margini di placca stabili e globalmente collegati. Processi come la dripduction avrebbero quindi contribuito a trasformare la composizione della crosta, a favorire la crescita dei primi continenti e a regolare lo scambio di sostanze volatili essenziali per l’abitabilità del pianeta.