Comparison of the Compositions of the Earth and Moon

1. Comparison of the Compositions of the Earth and Moon Bulk Earth Bulk Moon Silicate Earth Silicate Moon SiO2 30.38 43.4 45.0 44.4 TiO2 0.14 0.3 0.201 0.31 Al2O3 3.00 6.0 4.45 6.14 FeO 5.43 10.7 8.05 10.9 MgO 25.52 32 37.8 32.7 CaO 2.40 4.5 3.55 4.6 Na2O 0.24 0.09 0.36 0.09 K2O 0.02 0.01 0.029 0.01 Fe 28.43 2.166 87.5 Ni 1.75 0.134 5.4 S 1.62 5 core% 32.5% 2.3% mantle% 67.5% 97.7%

2. Mantello silicatico: Bulk Silicate Earth - BSE

3. Uno dei principali interrogativi che investono qualsiasi modellistica geochimica del mantello terrestre è se una composizione peridotitica, rappresentativa dei primi 150 Km del mantello, può essere estrapolata per i restanti 2900 Km. -decadimento radioattivo e dal rilascio di energia a seguito delle disintegrazioni di isotopi di Th, U e K, unitamente al contributo minore, ma non trascurabile, di altri isotopi. La regione del mantello superiore, sorgente dei basalti di dorsale medio oceanica (MORB), è impoverita in questi elementi radioattivi e contribuisce al budget globale di calore per un massimo di 6TW L’aumento di temperatura con la profondità è calcolato in una media di 25 deg C/Km. Flusso di calore globale misurato in superificie: 44TW

4. Al 1.41 Ca 1.54 S 2.9 Ni 1.8 Fe 32.1 O 30.1 Si 15.1 Mg 13.9 Major Elements >1 wt. % Minor Elements ~0.1 to 1 wt. % Trace Elements 100 ppm or less

5. Pyrolite (3 peridotites:1 basalt) Primitive Mantle (PUM) from McDonough and Sun (Chondritic model) Sum: 98.62 wt%

6. The Earth mantle

9. Stime di composizioni della Terra “silicatica”. (1): composizione calcolata dalle abbondanze solari , con il 32.2% che costituisce il nucleo (1mole Fe + 1 mole FeO (2):composizione di un mantello sub attuale, portato in superficie da lave kimberlitiche (3): composizione delle più antiche lave eruttate sulla Terra, KOMATITI (3.8-25 miliardi di anni)

10. Courtesy of Bill McDonough Primitive Mantle = Mantle + Crust Primitive Mantle = Silicate Earth

11. Density of silicates 10 Kbar = 1 GPa 1 Kbar = 3 Km

13. Per poter comprendere il sistema mantello le principali fonti di informazione sono quelle derivanti dalla sismologia, che comunque racchiudono i vincoli dettati dalla mineralogia e chimica. Il mantello registra 2 principali discontinuità nelle velocità delle onde sismiche, localizzate a 410 e a 660 Km (che separano tre principali regioni: il mantello superiore tra la discontinuità crosta-mantello (discontinuità di Mohorovicic); la zona di transizione, compresa tra le due discontinuità e al di sotto della discontinuità 660 Km, si entra nel dominio del mantello inferiore dove le velocità delle onde sismiche aumentano regolarmente con l’aumentare della profondità fino a raggiungere la regione D” (double prime layer) situata al limite dalla transizione nucleo-mantello (Core Mantle Boundary: CMB) Questa regione che costituisce un involucro discontinuo con spessore variabile (260 km +/- 150 km) è spesso considerata parte integrante del mantello inferiore. La segnalazione di questa anomalia alla base del mantello è estremamente interessante dal punto di vista sismico, ma il suo significato geochimico nell’ambito della dinamica globale è ancora fortemente dibattuto. Possibili spiegazioni per questa eterogeneità includono infiltrazioni di Fe provenienti dal nucleo, presenza di materiali provenienti dalle zone di subduzione e trascinati per processi di convezione nella zona CMB, oppure permanenze di residuo di materiale primordiale nel processo di differenziazione primaria (nucleo/mantello)

14. Wood et al., 2000 Single mineral inclusions in diamonds (Ferropericlase,Mg-Si perovskite, magnesiowustite) Mantle xenoliths Diamond Peridotitic inclusions -

15. Mg2SiO4(olivina) Struttura meno densa Struttura più densa O Si Mg

16. OLIVINA (Mg,Fe)2SiO4 =(Mg,Fe)2SiO4 Pressioni 13-14GPa; discontinuità 410 Km fase-a fase-b (Mg,Fe)2SiO4 =(Mg,Fe)2SiO4 Pressioni 18-19 GPa; discontinuità 520 Km fase-b fase-g (Mg,Fe)2SiO4 =(Mg,Fe)SiO3 + (Mg,Fe)O Pressioni 23 GPa; discontinuità 660 Km fase-g perovskite magnesiowustite (Ito & Takahashi, 1989) I minerali fondamentali della peridotite subiscono trasformazioni strutturali fortemente dipendenti dalla pressione. L’olivina, componente predominante della paragenesi peridotitica all’aumentare della pressione passa da una struttura rombica (fase-a) a strutture più dense tipo spinello [fase-b-wadsleyite (7.5 % più densa della fase-a); fase-g- ringwoodite (10 % più densa della fase-a)], fino alla rottura della formula mineralogica e la formazione di 2 fasi di ancor più alta densità: perovskite e magnesiowustite.

17. L’ortopirosseno, (Mg,Fe)SiO3 diventa instabile al di sotto dei 400 Km e ricristallizza in una forma tipo-granato (majorite). Il clinopirosseno subisce trasformazione simile, ma a profondità leggermente superiori (ca 550 Km) e, perché questa possa avvenire sembra sia necessaria la contemporanea presenza di granato perché il clinopirosseno possa trasformarsi in una struttura tipo granato. A profondità ancora superiori (oltre 580 Km), poche percentuali di molecola wollastonitica CaSiO3 in struttura tipo perovskite inizia ad essolvere dal granato, che a queste profondità costituisce circa il 30% di un mantello interamente costituito da granato+ringwoodite (Mg,Fe, Ca)3 (Si, Al)2SiO12 = (Mg,Fe, Ca)3 (Si, Al)2SiO12 + CaSiO3 granato granato impoverito in Ca perovskite (Wood, 2000)

18. 26 660 Km P (GPa) 410 Km 12 10 1000 1700 2600 T (C) Infine tra i 23 e 26 GPa (660-750 Km) si verificano le ultime trasformazioni di fase in ambito silicatico: il granato stabile fin dalla parte più superficiale del mantello superiore (1.7 –2.1 GPa) si dissolve nella fase perovskite (già presente perché inizialmente prodotta dalla trasformazione della ringwoodite) (Mg,Fe)SiO3 + (Mg,Fe, Ca)3 (Si, Al)2SiO12 =(Mg,Fe, Al)3 (Si, Al)O3 + CaSiO3 perovskite granato Al- perovskite Ca- perovskite (Wood, 2000)

21. Questa regione di transizione è molto importante, perché costituisce il luogo fisico dove inizia la formazione dei magmi basaltici. Si verifica un brusco cambio di densità verso strutture meno dense (tipo spinello), ma può essere considerata anche come un layer dove si tende all’equilibrio di fase tra due sistemi che differiscono chimicamente: il mantello inferiore (Fe, Mg, Si, O) ed il mantello superiore ( Fe, Ca, Al , Si, O), per effetto di formazione di magmi e subduzione Il mantello superiore (SHALLOW MANTLE) include i silacati nella struttura meno densa dell’olivina, pirosseni, spinelli e granati. Questa parte della Terra è responsabile delle grandi eterogeneità laterali del mantello, mappate con la tomografia sismica. Qui avvengono tutti i processi di fusione parziale responsabili della formazione dei magmi la cui emissione in superficie va a costituire la nuova crosta. LOWER MANTLE (mantello inferiore): il minerale predominante è la perovskite (Fe,Mg)SiO3 una forma di alta pressione del pirosseno. Il secondo minerale in ordine di abbondanza è probabilmente (Mg,Fe)O nella struttura cubica. . Altri possibili minerali sono Al2O3 (corindone), e altri minerali sempre nella struttura della perovskite ma contenenti CaO e Al2O3 e stishovite. INNER CORE (nucleo interno): come dimensioni è paragonabile alla Luna. Densità paragonabile al ferro puro o a una lega di Fe-Ni. Considerazioni chimiche e di densità indicano che circa il 10-15% del nucleo è costituito da elementi non metallici: S, O e Si. OUTER CORE (nucleo esterno) : è una zona fluida la cui densità è circa 2 volte la densità del mantello inferiore (lower mantle). La composizione è comunque la stessa indicata per il nucleo interno. Nella zona di transizione nucleo-mantello risiede uno stato di spessore stimato dalle poche decine di metri a parecchie centinaia di km, chiamato LAYER D’’. Felq +MgSiO3= MgO+FeO +SiO2