Tra quarzo e vetro, così si forma la coesite

Granello di circa 1 mm di coesite all’interno di una roccia metamorfica. Crediti: J.Smyth, Wikimedia

La silice, ovvero il biossido di silicio (SO2), è il costituente principale di molte rocce sedimentarie. In natura si trova comunemente nella sua fase cristallina stabile, in minerali come il quarzo e i suoi polimorfi, mentre ci imbattiamo quotidianamente nella sua fase disordinata metastabile, come componente principale del vetro.

La coesite è un polimorfo della silice che si forma solo a pressioni estremamente elevate, almeno 10mila volte più intense rispetto alla pressione atmosferica normale. L’interesse degli scienziati per la coesite è aumentato negli anni per le sue implicazioni geofisiche e geologiche. La sua presenza in un sito rappresenta, tra l’altro, uno straordinario indicatore di eventi catastrofici che hanno sviluppato enormi onde d’urto, come l’impatto di metoriti o comete, o esplosioni nucleari.

Sfruttando simulazioni di dinamica molecolare classica, uno studio teorico condotto da un gruppo internazionale, a cui ha partecipato anche l’italiano Sandro Scandolo, ricercatore dell’Abdus Salam International Center for Theoretical Physics (Ictp) di Trieste, ha sviscerato il meccanismo attraverso cui il quarzo si trasforma in coesite. I risultati della ricerca sono stati recentemente pubblicati sulla rivista Proceedings of the National Academy of Sciences.

La composizione chimica della coesite è la medesima del quarzo. La differenza è che l’alta pressione destruttura il reticolo cristallino caratteristico del quarzo, comprimendo gli atomi di silicio e di ossigeno in un sistema amorfo. Il risultato è un vetro ad alta densità.

Sandro Scandolo, Ictp

Il nuovo studio ha dimostrato che condizioni di stress non-idrostatico possono avere effetti notevoli sulla sequenza di fasi che si verificano alle pressioni crescenti. «Una grande quantità di misure erano state effettuate alla pressione limite a cui la coesite rimane stabile, equivalente alla pressione che troveremmo a 600 chilometri di profondità, ma erano tutte contraddittorie», commenta Scandolo a Media Inaf. «Il merito più grande di questo lavoro teorico è quello di avere finalmente messo ordine nei dati».

Questo minerale, spiega ancora il ricercatore, ha dimostrato di essere uno strumento estremamente utile per gli scienziati, sotto diversi aspetti. La presenza di coesite nel terreno è cruciale, ad esempio, da un punto di vista geofisico, per meglio comprendere la composizione e la temperatura del mantello terrestre. Inoltre, microscopiche inclusioni di coesite all’interno di diamanti sono state recentemente usate come geo-barometri, per determinare i valori di pressione e temperatura a cui i minerali si sono formati.

«Tutti i composti esibiscono transizioni di fase quando vengono compressi a pressione sufficientemente elevata», aggiunge Scandolo. «Nel caso dei minerali, come il quarzo, queste transizioni forniscono informazioni importanti per comprendere meglio la struttura interna della Terra e i processi che l’hanno plasmata nel corso di millenni».

Ma ci sono anche processi “istantanei” di cui la coesite rappresenta un marcatore eccezionale. Trovata per la prima volta nel 1960 all’interno del Meteor Crater in Arizona – creato da un meteorite di qualche decina di metri caduto 50mila anni fa -, la coesite è diventata un elemento fondamentale di prova per l’avvenuto l’impatto di un corpo celeste o di un’esplosione nucleare.

Rappresentazione artistica di come poteva apparire il cratere di Chicxulub 66 milioni di anni fa. Crediti: Detlev Van Ravenswaay / Science

Come nel caso del Cratere di Chicxulub, nascosto sotto la Penisola dello Yucatan, in Messico, che ha un diametro di 180 chilometri e risale a 66 milioni di anni fa, esattamente lo stesso periodo in cui si ebbe una grande estinzione di massa che colpì il 75 per cento delle piante e animali esistenti, compresi tutti i dinosauri non aviani.

Nel 2016, una perforazione a centinaia di metri sotto il fondo dell’oceano nell’anello principale del cratere ha ottenuto campioni di coesite e altre rocce formate in condizioni di alta pressione. Questo non solo ha fornito solide prove al fatto che si trattasse effettivamente di un cratere da impatto, ma ha anche contribuito a calcolare la potenza generata dal bolide, e quindi le sue dimensioni.

Si ritiene che Cratere di Chicxulub sia stato generato da un’asteroide (alcuni sostengono invece una cometa) di diametro tra i 10 e i 15 chilometri, il cui impatto sprigionò due milioni di volte più energia del più potente dispositivo nucleare mai testato, una bomba all’idrogeno da 58 megatoni nota come Bomba Zar, fatta esplodere dall’Unione Sovietica nel 1961.

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Fonte: Tra quarzo e vetro, così si forma la coesite