Passato il temporale, l’acqua caduta come pioggia, può infiltrarsi nei suoli permeabili, accumularsi e scorrere nelle falde acquifere sotterranee. Se trova terreni poco permeabili, invece, può defluire verso il reticolo idrografico che la raccoglie e la porta verso un bacino collettore che può essere un lago, il mare o l’oceano. Nel frattempo, una certa quantità d’acqua ritorna nell’atmosfera sotto forma di vapore. Questo, a grandi linee è il ciclo dell’acqua, insegnato già a partire dalle scuole primarie e che interessa solo le prime centinaia di metri del sottosuolo.
Lo schema del ciclo dell’acqua deve però essere aggiornato, proprio nella parte che riguarda il coinvolgimento della TerraIn realtà, l’acqua meteorica si può infiltrare per parecchi chilometri in profondità dentro la crosta. È il risultato di una ricerca pubblicata su Earth and Planetary Science Letters da parte di un gruppo di ricercatori britannici e neozelandesi (Catriona Dorothy Menzies et al.).
Questo studio si basa su campioni di fratture riempite da quarzo che si trovano in scisti e gneiss, rocce metamorfiche deformate, affioranti nelle Alpi Neozelandesi Meridionali. In quest’area, la collisione tra il margine della placca Australiana con quella Pacifica ha provocato la crescita repentina delle Alpi Neozelandesi, con cime che superano i 3000 m. Grazie allo scontro dei continenti e all’intensa attività erosiva, lungo i fianchi di questa catena montuosa affiorano rocce che invece prima risiedevano a diverse profondità nella crosta terrestre e che ora possono essere studiate in affioramento, campionate e infine analizzate in laboratorio.
L’origine dei minerali lungo fratture e faglie è spesso connessa alla precipitazione da fluidi ricchi di ioni in soluzione, come confermato da osservazioni petrografiche fatte su sezioni sottili di roccia. L’esiguo spessore di circa 30 micrometri delle sezioni sottili le rende trasparenti alla luce e osservabili con un semplice microscopio ottico a trasmissione. In questo modo è possibile esaminare minuscole quantità di fluido e/o vapore, le inclusioni fluide, intrappolate nei minerali durante la loro crescita. Lo studio petrografico, sebbene molto importante, non riesce a dare informazioni sull’origine dei fluidi che attraversano le fratture.
Menzies e colleghi sfruttano la possibilità di misurare con precisione i rapporti isotopici dell’idrogeno dei fluidi intrappolati nel quarzo per capire la loro origine. In natura, molti elementi sono costituiti da più isotopi, atomi con lo stesso numero atomico (numero di protoni) ma diversa massa (numero di protoni e neutroni). L’idrogeno è formato quasi esclusivamente da prozio (1H, o semplicemente H), il più abbondante isotopo stabile (cioè, non radioattivo) formato da un protone, e da deuterio (D), con un nucleo più pesante costituito da un protone e da un neutrone. Il valore del rapporto D/H (espresso in ‰) può essere positivo o negativo rispetto ad uno standard di riferimento rappresentato, di solito, dal cosiddetto Standard Mean Ocenic Water (SMOW).
L’intervallo di valori del rapporto D/H varia da +300 a -450 ‰ ma le acque meteoriche registrano valori molto negativi che le distingue nettamente da acque derivate dal raffreddamento di intrusioni magmatiche o da fluidi liberati dalla decomposizione di minerali idrati durante i processi metamorfici ad alte pressioni e temperature. In pratica, ogni processo petrogenetico lascia una diversa impronta isotopica che, se preservata e misurabile, può rappresentare la chiave di volta per svelare la natura dei fluidi crostali.
Le analisi isotopiche indicano che il rapporto D/H delle inclusioni fluide nel quarzo prelevato da vene formate a profondità variabili da 3 a 8 km è confrontabile con quello delle acque meteoriche oggi presenti sulle Alpi Neozelandesi Meridionali. La somiglianza dei rapporti isotopici dimostra che, in situazioni tettoniche caratterizzate da orogenesi attive, parte dei fluidi circolanti in profondità derivano originariamente dalla pioggia caduta sulla superficie. Le piccole variazioni isotopiche riscontrate, inoltre, sono spiegate con un limitato riequilibrio isotopico con le rocce incassanti caratterizzate da un più elevato rapporto D/H.
I fluidi hanno un ruolo essenziale nell’evoluzione della Terra. Essi infatti: trasportano calore ed elementi chimici da un punto all’altro della crosta, inclusi metalli preziosi come l’oro; favoriscono la creazione e propagazione di nuove fratture (fratturazione idraulica) associate alla produzione di tremore sismico. Infine i fluidi facilitano, la fusione parziale delle rocce in profondità con la creazione di nuova attività magmatica che può diventare di tipo vulcanico e quindi comportare rischi per la popolazione che vive in queste aree.
La conseguenza più intrigante della ricerca di Menzies e colleghi è la crescente consapevolezza che il ciclo degli elementi essenziali per la vita (carbonio, idrogeno, ossigeno, azoto, fosforo …) non è limitato all’atmosfera e alla biosfera ma coinvolge anche la Crosta e il Mantello Superiore della Terra. Quello che avviene oggi sotto la superficie della Terra e nei primi 100 km di profondità non si può osservare direttamente. I processi profondi, però, lasciano la loro impronta nei minerali e nelle strutture delle rocce che possono essere studiate con un dettaglio sempre maggiore grazie allo sviluppo di nuove tecniche analitiche. La stretta interconnessione tra atmosfera, biosfera e litosfera è il nuovo quadro di riferimento per il ciclo biogeochimico globale degli elementi.