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Uma fatia fina de rochas antigas coletadas de Gakkel Ridge perto do Polo Norte, fotografadas sob um microscópio e vistas sob luz polarizada cruzada. Largura de campo ~ 14 mm. Analisar rochas em seção fina ajuda os geólogos a identificar e caracterizar minerais dentro de uma rocha. As análises revelam informações sobre a composição mineral, textura e história da rocha, como ela se formou e quaisquer mudanças subsequentes pelas quais ela passou. Os pesquisadores usam a identificação e a composição química dos minerais nessas rochas antigas do manto da Terra para determinar as condições sob as quais essas rochas derreteram. Crédito: E. Cottrell, Smithsonian
Cientistas do Smithsonian conduzem novas pesquisas sobre rochas antigas, conhecidas como “cápsulas do tempo”, que datam de pelo menos 2,5 bilhões de anos.
Pesquisadores do Museu Nacional de História Natural do Smithsonian conduziram uma nova análise de rochas que se acredita terem pelo menos 2,5 bilhões de anos, lançando luz sobre a história química do manto da Terra, a camada abaixo da crosta do planeta. Suas descobertas aumentam nossa compreensão dos primeiros processos geológicos da Terra e contribuem para um debate científico de longa data sobre a história geológica do planeta. Notavelmente, o estudo fornece evidências de que o estado de oxidação da maior parte do manto da Terra permaneceu estável ao longo do tempo geológico, desafiando afirmações anteriores de outros pesquisadores sobre grandes transições.
“Este estudo nos conta mais sobre como este lugar especial em que vivemos veio a ser do jeito que é, com sua superfície e interior únicos que permitiram que a vida e a água líquida existissem”, disse Elizabeth Cottrell, presidente do departamento de ciências minerais do museu, curadora da National Rock Collection e coautora do estudo. “É parte da nossa história como humanos porque todas as nossas origens remontam a como a Terra se formou e como ela evoluiu.”
O estudo, publicado na revista Naturezacentrado em um grupo de rochas coletadas do fundo do mar que possuíam propriedades geoquímicas incomuns. Ou seja, as rochas mostram evidências de terem derretido em um grau extremo com níveis muito baixos de oxidação; oxidação é quando um átomo ou molécula perde um ou mais elétrons em uma reação química. Com a ajuda de análises e modelagem adicionais, os pesquisadores usaram as propriedades únicas dessas rochas para mostrar que elas provavelmente datam de pelo menos 2,5 bilhões de anos atrás, durante o Éon Arqueano. Além disso, as descobertas mostram que o manto da Terra manteve, no geral, um estado de oxidação estável desde que essas rochas se formaram, em contraste com o que outros geólogos teorizaram anteriormente.
Uma rocha antiga dragada do fundo do mar e estudada pela equipe de pesquisa. Crédito: Tom Kleindinst
“As rochas antigas que estudamos são 10.000 vezes menos oxidadas do que as rochas típicas do manto moderno, e apresentamos evidências de que isso ocorre porque elas derreteram profundamente na Terra durante o Arqueano, quando o manto era muito mais quente do que é hoje”, disse Cottrell. “Outros pesquisadores tentaram explicar os níveis mais altos de oxidação vistos nas rochas do manto atual, sugerindo que um evento ou mudança de oxidação ocorreu entre o Arqueano e hoje. Nossas evidências sugerem que a diferença nos níveis de oxidação pode ser explicada simplesmente pelo fato de que o manto da Terra esfriou ao longo de bilhões de anos e não está mais quente o suficiente para produzir rochas com níveis de oxidação tão baixos.”
Evidências geológicas e metodologia de estudo
A equipe de pesquisa — incluindo a autora principal do estudo, Suzanne Birner, que concluiu uma bolsa de pré-doutorado no Museu Nacional de História Natural e agora é professora assistente no Berea College em Kentucky — começou sua investigação para entender a relação entre o manto sólido da Terra e as rochas vulcânicas modernas do fundo do mar. Os pesquisadores começaram estudando um grupo de rochas que foram dragadas do fundo do mar em duas dorsais oceânicas onde as placas tectônicas estão se espalhando e o manto está se agitando até a superfície e produzindo uma nova crosta.
Os dois lugares de onde as rochas estudadas foram coletadas, a Cordilheira Gakkel perto do Polo Norte e a Cordilheira do Sudoeste Indiano entre a África e a Antártida, são dois dos limites de placas tectônicas de expansão mais lenta do mundo. O ritmo lento da expansão nessas dorsais oceânicas significa que elas são relativamente silenciosas, vulcanicamente falando, em comparação com as cordilheiras de expansão mais rápida que são salpicadas de vulcões, como a Dorsal do Pacífico Leste. Isso significa que as rochas coletadas dessas cordilheiras de expansão lenta têm mais probabilidade de serem amostras do próprio manto.
A popa do navio de pesquisa, o R/V Knorr, no mar em 2004. A estrutura em formato de A segura o balde gigante de metal e corrente que é abaixado mais de 10.000 pés abaixo da superfície do oceano e arrastado ao longo do fundo do mar para coletar amostras geológicas. Crédito: Emily Van Ark
Quando a equipe analisou as rochas do manto que coletaram dessas duas cristas, eles descobriram que elas tinham estranhas propriedades químicas em comum. Primeiro, as rochas tinham sido derretidas em uma extensão muito maior do que é típico do manto da Terra hoje. Segundo, as rochas estavam muito menos oxidadas do que a maioria das outras amostras do manto da Terra.
Para atingir um grau tão alto de derretimento, os pesquisadores raciocinaram que as rochas devem ter derretido profundamente na Terra em temperaturas muito altas. O único período da história geológica da Terra conhecido por incluir temperaturas tão altas foi entre 2,5 e 4 bilhões de anos atrás, durante o Éon Arqueano. Consequentemente, os pesquisadores inferiram que essas rochas do manto podem ter derretido durante o Arqueano, quando o interior do planeta estava a 360–540 graus Fahrenheit (200–300 graus Celsius) mais quente do que é hoje.
Estar tão extremamente derretida teria protegido essas rochas de um derretimento maior, o que poderia ter alterado sua assinatura química, permitindo que elas circulassem no manto da Terra por bilhões de anos sem alterar significativamente sua química.
“Este fato por si só não prova nada”, disse Cottrell. “Mas abre a porta para que essas amostras sejam cápsulas do tempo geológicas genuínas do Arqueano.”
Interpretação e Insights Científicos
Para explorar os cenários geoquímicos que podem explicar os baixos níveis de oxidação das rochas coletadas em Gakkel Ridge e Southwest Indian Ridge, a equipe aplicou vários modelos às suas medições. Os modelos revelaram que os baixos níveis de oxidação medidos em suas amostras podem ter sido causados pelo derretimento sob condições extremamente quentes nas profundezas da Terra.
Ambas as linhas de evidências respaldaram a interpretação de que as propriedades atípicas das rochas representavam uma assinatura química de sua fusão nas profundezas da Terra durante o Arqueano, quando o manto podia produzir temperaturas extremamente altas.
Anteriormente, alguns geólogos interpretaram rochas do manto com baixos níveis de oxidação como evidência de que o manto da Terra Arqueana era menos oxidado e que, por meio de algum mecanismo, ele se tornou mais oxidado ao longo do tempo. Os mecanismos de oxidação propostos incluem um aumento gradual nos níveis de oxidação devido à perda de gases para o espaço, reciclagem do antigo fundo do mar por subducção e participação contínua do núcleo da Terra na geoquímica do manto. Mas, até o momento, os proponentes dessa visão não se uniram em torno de nenhuma explicação.
Em vez disso, as novas descobertas apoiam a visão de que o nível de oxidação do manto da Terra tem sido amplamente estável por bilhões de anos, e que a baixa oxidação vista em algumas amostras do manto foi criada sob condições geológicas que a Terra não pode mais produzir porque seu manto esfriou desde então. Então, em vez de algum mecanismo fazer o manto da Terra mais oxidado ao longo de bilhões de anos, o novo estudo argumenta que as altas temperaturas do Arqueano fizeram com que partes do manto menos oxidado. Como o manto da Terra esfriou desde o Arqueano, ele não pode mais produzir rochas com níveis de oxidação super baixos. Cottrell disse que o processo de resfriamento do manto do planeta fornece uma explicação muito mais simples: a Terra simplesmente não produz rochas como costumava fazer.
Cottrell e seus colaboradores agora buscam entender melhor os processos geoquímicos que moldaram as rochas do manto arqueano da Cordilheira Gakkel e da Cordilheira do Sudoeste Indiano, simulando em laboratório as pressões e temperaturas extremamente altas encontradas no Arqueano.
Referência: “Derretimento profundo, quente e antigo registrado por fugacidade de oxigênio ultrabaixa em peridotitos” por Suzanne K. Birner, Elizabeth Cottrell, Fred A. Davis e Jessica M. Warren, 24 de julho de 2024, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-024-07603-w
Além de Birner e Cottrell, Fred Davis, da Universidade de Minnesota Duluth, e Jessica Warren, da Universidade de Delaware, foram coautores do estudo.
A pesquisa foi apoiada pelo Smithsonian e pela National Science Foundation.