Bolhas gigantes no manto da Terra podem estar conduzindo uma ‘fábrica de diamantes’ perto do núcleo do nosso planeta

Reações químicas extremas podem explicar por que a camada intermediária da Terra tem tanto carbono.

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Por bilhões de anos, calor e pressão extremos podem ter moldado a produção de diamantes na zona onde o núcleo da Terra encontra o manto. (Créditos: Johan Swanepoel/Alamy Stock Photo)

Traduzido por Julio Batista
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A zona limite entre o núcleo de metal fundido da Terra e o manto, sua camada rochosa intermediária, pode ser uma fábrica de diamantes.

Um novo experimento de laboratório descobriu que, sob temperaturas e pressões extremas, a combinação de ferro, carbono e água – todos os ingredientes potenciais encontrados na fronteira núcleo-manto – pode formar diamante. Se esse processo também acontecer nas profundezas da Terra, isso pode explicar algumas peculiaridades estranhas do manto, incluindo por que ele contém mais carbono do que os cientistas esperam.

As descobertas também podem ajudar a explicar estruturas estranhas nas profundezas da fronteira núcleo-manto, onde as ondas sísmicas diminuem drasticamente. Essas regiões, conhecidas como “zonas de velocidade ultra baixa” estão associadas a estranhas estruturas do manto, incluindo duas bolhas gigantes sob a África e o Oceano Pacífico; elas podem ter apenas alguns quilômetros de diâmetro ou muitas centenas. Ninguém sabe exatamente o que são. Alguns cientistas pensam que datam de 4,5 bilhões de anos e são feitas de materiais da Terra muito antiga. Mas a nova pesquisa sugere que algumas dessas zonas podem dever sua existência às placas tectônicas, que provavelmente começaram bem após a formação da Terra, talvez 3 bilhões de anos atrás.

“Estamos adicionando uma nova ideia de que essas estruturas não são totalmente antigas”, disse o autor principal do estudo, Sang-Heon Shim, geocientista da Universidade Estadual do Arizona (EUA), à Live Science.

Simulando a Terra Profunda 

Onde o núcleo encontra o manto, o ferro líquido fica roçando contra a rocha sólida. Essa é uma transição tão dramática quanto a da rocha-ar na superfície da Terra, disse Shim à Live Science. Em tal transição, especialmente em altas pressões e temperaturas, uma química estranha pode acontecer.

Além disso, estudos que usam os reflexos das ondas sísmicas para visualizar o manto mostraram que os materiais da crosta podem penetrar no limite do manto central, cerca de 3.000 quilômetros abaixo da superfície da Terra. Nas zonas de subducção, as placas tectônicas empurram umas sobre as outras, levando a crosta oceânica para o subsolo. As rochas desta crosta oceânica têm água presa em seus minerais. Como resultado, disse Shim, é possível que a água exista na fronteira núcleo-manto e possa conduzir reações químicas lá embaixo. (Uma teoria sobre o par de bolhas do manto sob a África e o Pacífico é que elas são compostas de crosta oceânica distorcida que foi empurrada para dentro do manto, potencialmente carregando água com ela.)

Os diamantes se formam em circunstâncias de alta temperatura e alta pressão, como as presentes no limite do manto com o núcleo. Tradução da imagem: locais de reação onde foram encontrados cristais de diamante (reacted spots where diamond crystals where found), meio (medium) e liga de ferro-carbono (iron-carbon alloy). (Créditos: Sang-Heon Shim, Universidade Estadual do Arizona)

Para testar a ideia, os pesquisadores reuniram os ingredientes disponíveis na fronteira núcleo-manto e os pressionaram com bigornas de diamante, gerando pressões de até 140 gigapascals (isso é cerca de 1,4 milhão de vezes a pressão ao nível do mar). Os pesquisadores também aqueceram as amostras a 3.776 graus Celsius.

“Monitoramos que tipo de reação estava acontecendo quando aquecemos a amostra”, disse Shim. “Depois detectamos o diamante e detectamos uma troca inesperada de elementos entre a rocha e o metal líquido.”

Despejando diamantes

Sob a pressão e temperatura da fronteira núcleo-manto, disse Shim, a água se comporta de maneira muito diferente do que na superfície da Terra. As moléculas de hidrogênio se separam das moléculas de oxigênio. Por causa da alta pressão, o hidrogênio gravita em direção ao ferro, que é o metal que compõe a maior parte do núcleo. Assim, o oxigênio da água fica no manto, enquanto o hidrogênio se funde com o núcleo.

Quando isso acontece, o hidrogênio parece afastar outros elementos leves no núcleo, incluindo, crucialmente, o carbono. Este carbono sai do núcleo e entra no manto. Nas altas pressões presentes no limite núcleo-manto, a forma mais estável do carbono é o diamante.

“É assim que o diamante se forma”, disse Shim.

Estes não são os mesmos diamantes que podem brilhar em um anel de noivado; a maioria dos diamantes que chegam à superfície e, por fim, se tornam joias de alguém, formam algumas centenas de quilômetros de profundidade, não alguns milhares. Mas os diamantes do manto central provavelmente são flutuantes e podem ser despejados por toda a crosta, distribuindo seu carbono à medida que avançam.

O manto tem três a cinco vezes mais carbono do que os pesquisadores esperariam com base na proporção de elementos em estrelas e outros planetas. Os diamantes encontrados nesta camada da Terra podem explicar a discrepância, disse Shim. Ele e sua equipe calcularam que, se até 10% a 20% da água na crosta oceânica chegar ao limite do manto central, isso poderia produzir diamantes suficientes para explicar os níveis de carbono na crosta.

Se for esse o caso, muitas das zonas de baixa velocidade no manto podem ser áreas de derretimento impulsionado pela água, desencadeado pela agitação das placas oceânicas nas profundezas do planeta.

Provar que esse processo acontece milhares de quilômetros abaixo da superfície é o próximo desafio. Existem algumas maneiras de procurar evidências, disse Shim.

Uma é procurar estruturas dentro do limite núcleo-manto que possam ser aglomerados de diamantes. Os diamantes são densos e transmitiriam ondas sísmicas rapidamente, então os pesquisadores precisariam encontrar zonas de alta velocidade ao lado das regiões já descobertas onde as ondas viajam lentamente. Outros pesquisadores da Universidade Estadual do Arizona estão investigando essa possibilidade, disse Shim, mas o trabalho ainda não foi publicado.

Outra opção é estudar diamantes que podem vir das profundezas do manto da Terra. Esses diamantes às vezes podem chegar à superfície com pequenas inclusões, cheias de minerais que só podem se formar sob pressão muito alta.

Mesmo o famoso diamante Hope pode ter se formado muito profundamente no manto do planeta. Quando os cientistas afirmam ter descoberto diamantes muito profundos, essas afirmações são muitas vezes controversas, disse Shim, em parte porque as inclusões são tão pequenas que quase não há material para medir. Mas pode valer a pena procurar inclusões nos limites do manto central, disse ele.

“Isso seria uma grande descoberta, se alguém pudesse encontrar evidências para isso”, disse ele.

Os pesquisadores relataram suas descobertas em 11 de agosto na revista Geophysical Research Letters.