Cientistas detectam evidências de ‘oceanos significativos’ de água no manto da Terra

This News Exclusive was originally posted in English on Aug 21, 2014. This translation for the Portuguese edition of Astrobiology magazine was provided by Bruno Martini. The original article is available here.


Corte esquemático do interior da Terra destacando a camada da zona de transição (em azul claro, a 410-660 km de profundidade), que possui uma capacidade anomalamente alta de estocagem de água. O estudo de Schmandt e Jacobensen usou ondas sísmicas para detectar o magma gerado próximo ao topo do manto inferior a aproximadamente 700 km de profundidade. O derretimento desidratado nessas condições, também observado nos experimentos de alta pressão do estudo, sugere que a zona de transição pode estar quase saturada com H2O dissolvida em rochas sob alta pressão. Crédito da imagem: Steve Jacobensen/Northwestern University

Corte esquemático do interior da Terra destacando a camada da zona de transição (em azul claro, a 410-660 km de profundidade), que possui uma capacidade anomalamente alta de estocagem de água. O estudo de Schmandt e Jacobensen usou ondas sísmicas para detectar o magma gerado próximo ao topo do manto inferior a aproximadamente 700 km de profundidade. O derretimento desidratado nessas condições, também observado nos experimentos de alta pressão do estudo, sugere que a zona de transição pode estar quase saturada com H2O dissolvida em rochas sob alta pressão. Crédito da imagem: Steve Jacobensen/Northwestern University

Pesquisadores encontraram evidências de um potencial ‘oceano significativo’ de água nos subterrâneos dos Estados Unidos da América.

Apesar de não estar presente em uma forma familiar, os blocos de construção da água estão confinadas nas rochas localizadas nas profundidades do manto da Terra e em quantidades grandes o suficiente para representar o maior reservatório de água do planeta, de acordo com a pesquisa.

Por muitos anos, os cientistas tentaram estabelecer exatamente quanta água poderia estar sendo reciclada entre a superfície da Terra e os reservatórios interiores através da ação das placas tectônicas. O geofísico Steve Jacobsen da Northwestern University (Universidade do Noroeste) e o sismólogo Brandon Schmandt da University of New Mexico (Universidade do Novo México) encontraram bolsões profundos de magma a aproximadamente 400 milhas (~ 645 km) abaixo da América do Norte – um forte indicador da presença de H2O estocada na estrutura cristalina de minerais de altas pressões a estas profundidades.

O conteúdo total de H2O do planeta tem há muito tempo sido o ‘parâmetro geoquímico’ menos delimitado nas ciências da Terra. Nosso estudo encontrou evidências de hidratação generalizada na zona de transição do manto, diz Jacobensen.

Por pelo menos 20 anos, os geólogos sabem por experimentos laboratoriais que a zona de transição da Terra – uma camada rochosa do manto da Terra localizada entre o manto inferior e o manto superior, a profundidades entre 250 e 410 milhas (~ 402 e 660 km) – podem, em teoria, armazenar aproximadamente um por cento do seu peso total como H2O confinada em minerais chamados wadsleyite e ringwoodita (ringwoodite). No entanto, como Schmandt explica, até agora tem sido difícil descobrir se esse potencial reservatório de água está vazio, como muitos têm sugerido, ou não.

Se lá vier a se confirmar haver uma quantidade substancial de H2O na zona de transição, então os experimentos laboratoriais recentemente conduzidos por Jacobsen indicam que deve haver grandes quantidades do que ele chama de ‘fusão parcial’ em áreas onde o manto flui para baixo e para fora da zona. Esta água rica em silicato é rocha derretida que ocorre nas grandes fronteiras entre cristais de minerais sólidos e podem responder por aproximadamente um por cento do volume das rochas.

‘O derretimento (fusão) ocorre porque rochas hidratadas são carreadas da zona de transição, onde as rochas podem armazenar muita H2O, para baixo e para dentro do manto inferior, onde as rochas não podem armazenar tanta H2O. Fusão é a forma de se livrar da H2O que não cabe na estrutura de cristal presente na manto inferior, diz Jacobsen.

Ele adiciona:

‘Quando uma rocha começa a se fundir, qualquer H2O que esteja confinada na rocha irá com o derretimento imediatamente. Então o derretimento teria uma concentração bem maior de H2O que o restante do sólido. Não estamos certos de como ela chegou lá. Talvez ela esteja presa lá desde o início da história da Terra ou talvez ela esteja constantemente sendo reciclada pelas placas tectônicas.’

Ondas Sísmicas

A fusão afeta fortemente a velocidade das ondas sísmicas – semelhantes às ondas de energia acústicas que viajam através das camadas da Terra como resultado de um terremoto ou explosão. Isso ocorre porque as rochas duras, como aquelas ricas em silicato presentes no manto, propagam ondas sísmicas muito rapidamente. De acordo com Schmandt, se apenas um pequeno derretimento – mesmo 1 por cento ou menos – for adicionado entre os grãos de cristais de tal rocha, torna-a menos rígida, o que significa que ondas elásticas se propagam mais lentamente.

Brandon Schmandt (University of New Mexico, left) and Steve Jacobsen (Northwestern University, right) combined seismic observations from the US-Array with laboratory experiments to detect dehydration melting of hydrous mantle material beneath North America at depths of 700-800 km. Credit: University of New Mexico/Northwestern University

Brandon Schmandt (University of New Mexico à esquerda) e Steve Jacobensen (Northwestern University, à direita) combinaram observações sísmicas do US-Array com experimentos de laboratório para detectar a fusão desidratante de material hidratado do manto sob a América do Norte a profundidades entre 700-800 km. Crédito: University of New Mexico/Northwestern University

‘Fomos capazes de analisar ondas sísmicas de terremotos para procurar por derretimentos no manto bem abaixo da zona de transição’, diz Schmandt.

‘O que encontramos sob os EUA é consistente com a fusão parcial presente em áreas de fluxo para baixo e para fora da zona de transição. Sem a presença de H2O, é muito difícil de explicar a fusão nessas profundidades. Este é um bom indício de que o reservatório de H2O da zona de transição não está vazio e mesmo se ele for apenas parcialmente preenchido, poderia corresponder a aproximadamente a mesma massa de água que há nos oceanos da Terra’, ele complementa.

Jacobsen e Schmandt esperam que suas descobertas, publicadas na edição de junho do jornal Science, ajudará outros cientistas a compreender como a Terra se formou e qual é sua atual composição e funcionamento interno, assim como estabelecer quanta água está aprisionada na rocha do manto.

‘Penso que estamos finalmente vendo evidências para todo um ciclo da água da Terra, o que pode explicar a vasta quantidade de água líquida na superfície do nosso planeta habitável. Os cientistas têm procurado por esta água profunda faltante por décadas’, diz Jacobsen.

Estudos de Rochas do manto

O estudo combinou a análise de Schmandt de dados sísmicos do US Array (Arranjo dos EUA), uma rede de mais de 2.000 sismógrafos dos EUA, com os experimentos laboratoriais de Jacobsen, nos quais ele examinou o comportamento das rochas do manto sob condições designadas para simular as altas pressões e temperaturas presentes a 400 milhas (~ 645 km) abaixo da superfície da Terra.

Schematic representation of seismometers placed in the US-Array between 2004 and 2014 and used in the study by Schmandt and Jacobsen to detect dehydration melting at the top of the lower mantle beneath North America. Image Credit: NSF-Earthscope

Representação esquemática dos sismógrafos colocados no US-Array entre 2004 e 2014 e usados no estudo de Schmandt e Jacobensen para detectar a derretimento desidratado no topo do manto inferior sob a América do Norte. Crédito da imagem: NSF-Earthscope

O US Array é parte do Earthscope, um programa patrocinado pela National Science Foundation (Fundação Nacional de Ciências dos EUA). Os experimentos de Jacobsen foram conduzidos por duas instalações do Department of Energy (Departamento de Energia dos EUA), o Advanced Photon Source (Fonte Avançada de Fótons) do Argonne National Laboratory (Laboratório Nacional de Argonne) e o National Synchrotron Light Source (Fonte Nacional de Luz Sincrotrônica) no Brookhaven National Laboratory (Laboratório Nacional de Brookhaven).

Tomado como um todo, suas descobertas produziram fortes evidências de que a fusão pode ocorrer a aproximadamente 400 milhas (~ 645 km) de profundidade na Terra, com H2O sendo estocada em rochas do manto, tais como aquelas contendo o mineral ringwoodita, o que é provavelmente um mineral dominante àquelas profundidades.

Schmandt explicou que ele fez esta descoberta depois de conduzir a obtenção de imagens da fronteira entre a zona de transição e o manto inferior. Ele encontrou evidência de que em áreas onde ‘transições bruscas’, como a fusão, estão presentes, parte da energia de terremotos foi convertida de uma onda compressional ou longitudinal, para uma onda sísmica ou onda-S. A fase das ondas-S convertidas em áreas onde o manto está fluindo para baixo e para fora da zona de transição indicou uma velocidade significativamente menor que do manto ao redor. A descoberta sugere que a água da superfície da Terra pode ser direcionada para tais profundidades pelas placas tectônicas, eventualmente resultado em fusão parcial de rochas encontradas nas profundidades no manto.

‘Nós usamos muitas conversões de ondas sísmicas para ver que muitas áreas sob os EUA podem ter alguma fusão sob a zona de transição. O próximo passo foi comparar estas áreas com as áreas onde modelos de fluxo do manto predizem fluxo para baixo e para fora da zona de transição’, diz Schmandt.

Ringwoodita

As descobertas de Schmandt e Jacobsen constituem uma descoberta reportada em março no jornal Nature, no qual cientistas descobriram um pedaço do mineral azul ringwoodita dentro de um diamante trazido para a superfície de uma profundidade de 400 milhas (~ 645 km) por um vulcão no Brasil. Aquele pequeno pedaço de ringwoodita – a única amostra que temos de dentro da Terra – continha uma surpreendente quantidade de água confinada em forma sólida no mineral.

‘Não apena foi esta a primeira ringwoodita terrestre já encontrada – todos os outros exemplos de ringwoodita natural vieram de meteoritos que se chocaram – mas a pequena inclusão de ringwoodita estava também cheia de H2O, com aproximadamente 1,5 por cento do total do seu peso’, afirma Jacobsen. ‘Este é aproximadamente a máxima quantidade de água que fomos capazes de por dentro da ringwoodita em experimentos laboratoriais.’

Cristais de rigwoodita hidratada crescidos em laboratório, um polimorfo de olivina de alta pressão que é estável a aproximadamente 520 a 660 km de profundidade no manto da Terra. A ringwoodita fotografada aqui contém aproximadamente um por cento do seu peso em H2O, similar ao que foi inferido nas observações sísmicas feitas por Schmandt e Jacobsen. Crédito: Steve Jacobsen/Northwestern University

Cristais de rigwoodita hidratada crescidos em laboratório, um polimorfo de olivina de alta pressão que é estável a aproximadamente 520 a 660 km de profundidade no manto da Terra. A ringwoodita fotografada aqui contém aproximadamente um por cento do seu peso em H2O, similar ao que foi inferido nas observações sísmicas feitas por Schmandt e Jacobsen. Crédito: Steve Jacobsen/Northwestern University

Apesar da descoberta ter provido evidência direta de água no manto profundo a aproximadamente 700 quilômetros (434 milhas) de profundidade, o diamante amostrou apenas um ponto do manto. Jacobsen explica que o artigo expande a busca pela questão de quanto o espalhamento da hidratação pode ter se generalizado por toda a zona de transição. Isto é importante porque a presença de H2O em grandes volumes de rocha encontradas em profundidades entre os 410 a 660 quilômetros (255 a 410 milhas) iria ‘alterar significativamente nossa compreensão da composição da Terra.’

‘Isso iria dobrar ou triplicar a quantidade de H2O conhecida no volume total da Terra. Apenas de 1 a 2 por cento em H2O do peso da zona de transição seria o equivalente a 2 ou 3 vezes a quantidade de H2O nos oceanos’, acrescenta Jacobsen.

Grandes Questões

Olhando para a frente, Jacobsen admite que permanecem algumas questões. Por exemplo, se a zona de transição está cheia de H2O, o que isto nos diz sobre a origem da água da Terra? E será a presença de ringwoodita no manto de um planeta necessária para um planeta reter suficiente água primordial para formar os oceanos? Além do mais, como a H2O na zona de transição está conectada com os reservatórios da superfície? Está a zona de transição, se ela contém um reservatório geoquímico de H2O maior que dos oceanos, tamponando a quantidade de água líquida na superfície da Terra?

‘Uma analogia poderia ser de uma esponja, que precisa ser preenchida antes que a água líquida possa ser sustentada em seu topo. Foi a água da zona de transição adicionada através da tectônica de placas no início da história da Terra, ou foram os oceanos desgaseificados do manto até que um equilíbrio fosse alcançado entre a superfície e os reservatórios interiores?’ pergunta Jacobsen.

De qualquer forma, a pesquisa é provavelmente de grande interesse para astrobiólogos em grande parte porque a água está geralmente ligada à formação de vida biológica. Análises geoquímicas remotas podem ser uma forma de detectar se tais processos ocorrem em outros lugares do Universo e é provável que tais análises envolveriam o uso de espectrômetros de raios gama, de nêutrons e de raios-X do tipo dos usados pela espaçonave NASA MESSENGER (Mensageiro da NASA) para o mapeamento geoquímico remoto de Mercúrio.

‘Por outro lado, para alcançar planetas, não é prático aplicar o tipo de produção de imagens sísmicas que usei. Então, minha especulação é de que análises geoquímicas de rochas de vulcões de outros corpos planetários podem ser nossa melhor chance de testar se voláteis são armazenados no interior do planeta’, diz Schmandt.

Tradutor: Bruno Martini