Uma nova publicação de Motohiko Murakami, Professor de Física Mineral Experimental, e sua equipe foi apresentada recentemente no jornal PNAS e mostra o quão esclarecedores esses experimentos podem ser. As descobertas dos pesquisadores sugerem que a compreensão de muitos geocientistas do interior da Terra pode ser muito simplista.
Mudança dramática
Abaixo da crosta terrestre, que tem apenas alguns quilômetros de espessura, está seu manto. Também feito de rocha, ele envolve o núcleo do planeta, que começa cerca de 2.900 quilômetros abaixo de nós. Graças aos sinais sísmicos, sabemos que ocorre uma mudança dramática no manto a uma profundidade de cerca de 660 quilômetros: é aqui que o manto superior encontra o manto inferior e as propriedades mecânicas da rocha começam a diferir, razão pela qual a velocidade de propagação de ondas sísmicas muda dramaticamente nesta fronteira.
O que não está claro é se esta é apenas uma fronteira física ou se a composição química da rocha também muda neste ponto. Muitos geocientistas presumem que o manto da Terra como um todo é composto de forma relativamente consistente de rocha rica em magnésio, que por sua vez tem uma composição semelhante à da rocha peridotítica encontrada na superfície da Terra. Esses enviados do manto superior , que chegam à superfície da Terra por meio de eventos como erupções vulcânicas, exibem uma relação magnésio-silício de ~ 1,3.
“A presunção de que a composição do manto terrestre é mais ou menos homogênea se baseia em uma hipótese relativamente simples”, explica Murakami. "Ou seja, as poderosas correntes de convecção dentro do manto, que também impulsionam o movimento das placas tectônicas na superfície da Terra, estão constantemente se misturando. Mas é possível que essa visão seja muito simplista."
Onde está o silício?
Realmente há uma falha fundamental nessa hipótese. É geralmente aceito que a Terra foi formada há cerca de 4,5 bilhões de anos por meio do acúmulo de meteoritos que emergiram da nebulosa solar primordial e, como tal, tem a mesma composição geral desses meteoritos. A diferenciação da Terra em núcleo, manto e crosta aconteceu como parte de uma segunda etapa.
Deixando de lado o ferro e o níquel, que agora fazem parte do núcleo do planeta, torna-se aparente que o manto deveria conter mais silício do que a rocha peridotítica. Com base nesses cálculos, o manto deve ter uma relação magnésio-silício mais próxima de ~ 1 em vez de ~ 1,3.
Isso leva os geocientistas a fazer a seguinte pergunta: onde está o silício que falta? E há uma resposta óbvia: o manto da Terra contém tão pouco silício porque está no centro da Terra. Mas Murakami chega a uma conclusão diferente, ou seja, que o silício está no manto inferior. Isso significaria que a composição do manto inferior difere da do manto superior.
Hipótese sinuosa
A hipótese de Murakami dá algumas voltas e mais voltas: primeiro, já sabemos precisamente com que velocidade as ondas sísmicas viajam através do manto. Em segundo lugar, experimentos de laboratório mostram que o manto inferior é feito principalmente do mineral silicioso bridgmanita e do mineral ferropericlase rico em magnésio. Terceiro, sabemos que a velocidade com que as ondas sísmicas viajam depende da elasticidade dos minerais que constituem a rocha. Portanto, se as propriedades elásticas dos dois minerais são conhecidas, é possível calcular as proporções de cada mineral necessárias para se correlacionar com a velocidade observada das ondas sísmicas. É então possível derivar qual deve ser a composição química do manto inferior.
Embora as propriedades elásticas da ferropericlase sejam conhecidas, as da bridgmanita ainda não são. Isso ocorre porque a elasticidade desse mineral depende muito de sua composição química; mais especificamente, varia de acordo com a quantidade de ferro que a bridgmanita contém.
Medições demoradas
Em seu laboratório, Murakami e sua equipe realizaram testes de alta pressão neste mineral e experimentaram diferentes composições. Os pesquisadores começaram prendendo um pequeno espécime entre duas pontas de diamante e usando um dispositivo especial para pressioná-los juntos. Isso sujeitou o corpo de prova a uma pressão extremamente alta, semelhante à encontrada no manto inferior.
Os pesquisadores então direcionaram um feixe de laser para a amostra e mediram o espectro de onda da luz dispersa do outro lado. Usando os deslocamentos no espectro de ondas, eles foram capazes de determinar a elasticidade do mineral em diferentes pressões. “Demorou muito para completar as medições”, relata Murakami. "Como quanto mais ferro a bridgmanita contém, menos permeável à luz ela se torna, precisávamos de até quinze dias para concluir cada medição individual".
Silício descoberto
Murakami então usou os valores de medição para modelar a composição que melhor se correlaciona com a dispersão das ondas sísmicas. Os resultados confirmam sua teoria de que a composição do manto inferior difere da do manto superior. "Estimamos que a bridgmanita compõe 88 a 93 por cento do manto inferior", diz Murakami, "o que dá a esta região uma razão magnésio-silício de aproximadamente 1,1." A hipótese de Murakami resolve o mistério da falta de silício.
Mas suas descobertas levantam novas questões. Sabemos, por exemplo, que em certas zonas de subducção, a crosta terrestre é empurrada para o fundo do manto - às vezes até mesmo até a fronteira com o núcleo. Isso significa que os mantos superior e inferior não são, na verdade, entidades separadas hermeticamente. Como as duas áreas interagem e exatamente como a dinâmica do funcionamento do interior da Terra para produzir regiões quimicamente diferentes do manto ainda está para ser visto.
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Mais informações: Motohiko Murakami. Evidência experimental de manto inferior da Terra enriquecido com sílica com bridgmanita dominante de ferro ferroso. PNAS (2020). www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1917096117
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