Dipendenza dalla temperatura della solubilità dell'azoto nella bridgmanite ed evoluzione della capacità di stoccaggio dell'azoto nel mantello inferiore

Aug 14, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 3537 (2023) Citare questo articolo

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L'abbondanza relativa di azoto normalizzata dalle condriti carboniose nella massa silicatica della Terra sembra essere impoverita rispetto ad altri elementi volatili. In particolare, il comportamento dell’azoto nelle parti profonde della Terra, come il mantello inferiore, non è chiaramente compreso. Qui, abbiamo studiato sperimentalmente la dipendenza dalla temperatura della solubilità dell'azoto nella bridgmanite che occupa il 75% in peso del mantello inferiore. La temperatura sperimentale variava da 1400 a 1700 °C a 28 GPa nello stato redox corrispondente al mantello inferiore superficiale. La massima solubilità dell'azoto nella bridgmanite (MgSiO3) è aumentata da 1,8 ± 0,4 a 5,7 ± 0,8 ppm con l'aumento della temperatura da 1400 a 1700 °C. La capacità di stoccaggio dell'azoto della bridgmanite dell'elemento terminale Mg alle condizioni di temperatura attuali è 3,4 PAN (PAN: massa dell'azoto atmosferico attuale). Inoltre, la solubilità dell'azoto della bridgmanite aumentava con l'aumentare della temperatura, in contrasto con la solubilità dell'azoto del ferro metallico. Pertanto, la capacità di stoccaggio dell'azoto della bridgmanite può essere maggiore di quella del ferro metallico durante la solidificazione dell'oceano di magma. Un tale serbatoio di azoto “nascosto” formato dalla bridgmanite nel mantello inferiore potrebbe aver impoverito il rapporto apparente di abbondanza di azoto nella massa silicatica della Terra.

Il comportamento geochimico dell'azoto nelle profondità della Terra rimane poco chiaro, mentre fino ad oggi sono stati condotti numerosi studi sul ciclo dell'azoto nella biosfera1,2,3. Le abbondanze relative di azoto, carbonio e H2O nella BSE (bulk silicate Earth) normalizzate da quelle delle condriti carboniose sono rispettivamente 0,11%, 1,49% e 2,27%4. La BSE, che si presume sia composta dall'atmosfera, dal mantello impoverito e dalla massa del mantello, è impoverita di azoto rispetto ad altri componenti volatili4. Le concentrazioni di 14N, 12C e H2O nella composizione della condrite carboniosa utilizzata per stimare questi rapporti di abbondanza erano rispettivamente 1,09 × 10–4 mol/g, 2,94 × 10–3 mol/g e 6,60 × 10–3 mol/g5 ,6. Questo azoto apparentemente impoverito viene definito azoto “mancante” o azoto “perso”4,7,8. Il contenuto di azoto nella BSE è stato stimato in base al rapporto Ar/N2. Tuttavia, Zerkle e Mikhail9 hanno sostenuto che la stima dell'abbondanza di azoto nella BSE dalla correlazione tra N2 e Ar degassato riportata da Marty10 non è necessariamente accurata. Marty10 presuppone che l'azoto nell'intero mantello esista come N2, che si comporta come un gas nobile, ma la fugacità dell'ossigeno nel mantello profondo è molto inferiore a quella del mantello superficiale e l'azoto esiste come NH3, NH4+ o N3− anziché N211,12 . Esperimenti ad alta pressione hanno dimostrato che NH4+ può essere incorporato nei minerali di silicato e i silicati si fondono in condizioni ridotte13,14,15,16. Pertanto, l’azoto “mancante” può essere spiegato anche con l’esistenza di serbatoi di azoto nel mantello profondo ridotto.

Durante la solidificazione dell'oceano di magma, il degassamento dell'oceano di magma del mantello potrebbe essere inefficiente perché l'oceano di magma parzialmente cristallizzato si comportava come un solido17,18. Pertanto, si suggerisce che la solidificazione dell'oceano di magma sia un importante processo di formazione di riserve di azoto nelle profondità della Terra13,19. Li et al.13 hanno determinato che la solubilità dell'azoto nella forsterite e nell'enstatite è di circa 10 ppm e 100 ppm, rispettivamente, e ha suggerito che il mantello superiore profondo può essere un serbatoio di azoto attraverso la solidificazione dell'oceano di magma. Yoshioka et al.19 hanno determinato sperimentalmente le solubilità dell'azoto nella wadsleyite e nella ringwoodite in condizioni di alta pressione e alta temperatura corrispondenti alla zona di transizione del mantello. Le solubilità dell'azoto nella wadsleyite e nella ringwoodite variavano rispettivamente da 8,0 a 204,9 ppm e da 12,0 a 283,0 ppm, e queste solubilità dell'azoto aumentavano con l'aumento della temperatura. Le solubilità del carbonio in questi minerali del mantello sono state studiate anche mediante esperimenti ad alta pressione e alta temperatura seguiti da analisi di spettrometria di massa di ioni secondari (SIMS)20. Keppler et al.21 hanno riferito che le solubilità del carbonio nell'olivina erano fino a 0,54 ppm e Shcheka et al.20 hanno riferito che quelle nella wadsleyite e nella ringwoodite erano al di sotto del limite di rilevamento SIMS (cioè 30–200 ppb in peso). Questi minerali del mantello, che hanno elevati rapporti di solubilità N/C, possono ridurre l’azoto rispetto al carbonio nella BSE e possono provocare la “mancanza” di azoto. Yoshioka et al.19 hanno condotto esperimenti ad alta pressione utilizzando apparecchi a più incudini in condizioni ridotte vicine al tampone Fe-FeO e hanno riferito che la solubilità dell'azoto nella bridgmanite è 21,5 ± 18,1 ppm. Tuttavia, il loro studio ha determinato la solubilità dell'azoto nella bridgmanite solo in una singola condizione di 24 GPa e 1600 °C, e la dipendenza della solubilità dell'azoto dalla temperatura e dalla composizione chimica non è stata chiarita. Il comportamento dell’azoto, soprattutto nelle parti profonde della Terra come il mantello inferiore, rimane poco chiaro. Anche in studi recenti22, la profonda segregazione dei volatili causata dalla solidificazione del magma oceanico rimane non vincolata. In questo studio, abbiamo condotto esperimenti ad alta pressione e alta temperatura a diverse temperature nello stato redox corrispondente al mantello inferiore per studiare l'incorporazione di azoto nella bridgmanite. Inoltre, nelle stesse condizioni è stata studiata la dipendenza della solubilità dell'azoto dal contenuto di alluminio nella bridgmanite.