Um novo estudo desafia a teoria da oxidação do manto

Uma fina fatia de rocha antiga coletada na cordilheira Gakkel, perto do Pólo Norte, fotografada sob um microscópio e vista sob luz polarizada cruzada. Largura do campo ~ 14 mm. A análise de rochas de seção fina ajuda os geólogos a identificar e descrever os minerais dentro da rocha. As análises revelam informações sobre a composição mineralógica, textura e história da rocha, como a forma como ela se formou e quaisquer alterações subsequentes que sofreu. Os pesquisadores usam a determinação da composição química dos minerais nessas rochas antigas do manto terrestre para determinar as condições sob as quais essas rochas derreteram. Direitos autorais: E. Cottrell, Smithsonian

Cientistas do Smithsonian estão conduzindo novas pesquisas em rochas antigas da “cápsula do tempo”, que datam de pelo menos 2,5 bilhões de anos.

Pesquisadores do Museu Nacional de História Natural do Smithsonian Institution 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. As suas descobertas melhoram a nossa compreensão dos processos geológicos mais antigos 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 investigadores sobre grandes transformações.

“Este estudo nos diz mais sobre como este lugar especial em que vivemos se tornou o que é agora, com sua superfície e interior únicos que permitiram a existência de vida e água líquida”, disse Elizabeth Cottrell, chefe do Departamento de Mineralogia do museu. , curador da National Rock Collection e coautor do estudo “Faz parte da nossa história como humanos porque todas as nossas origens remontam a como a Terra foi formada e como ela evoluiu”.

O estudo foi publicado na revista natureza, concentra-se em um grupo de rochas coletadas do fundo do mar que possuem propriedades geoquímicas incomuns. Especificamente, as rochas apresentam evidências de dissolução extrema com níveis muito baixos de oxidação; A oxidação é quando milho Ou uma molécula perde um ou mais elétrons em uma reação química. Com a ajuda de análises e modelações adicionais, os investigadores usaram as propriedades únicas destas rochas para mostrar que provavelmente datam de pelo menos 2,5 mil milhões de anos, durante o período Arqueano. Além disso, os resultados mostram que o manto da Terra tem mantido geralmente um estado de oxidação estável desde a formação destas rochas, em contraste com o que outros geólogos tinham assumido anteriormente.

Uma rocha antiga foi extraída do fundo do mar e estudada pela equipe de pesquisa. Crédito da foto: Tom Kleindienst

“As rochas antigas que estudamos são 10.000 vezes menos oxidadas do que as típicas rochas do manto moderno, e fornecemos evidências de que isso se deve ao derretimento nas profundezas da Terra durante a era arqueana, quando o manto era mais quente do que é hoje”, disse Cottrell. Outros explicam os níveis mais elevados de oxidação observados nas rochas do manto hoje, sugerindo que um evento de oxidação ou alteração ocorreu entre o Arqueano e hoje. “A nossa evidência sugere que a diferença nos níveis de oxidação pode ser explicada simplesmente pelo facto de o manto da Terra ter arrefecido ao longo de milhares de milhões de anos e já não ser suficientemente quente para produzir rochas com níveis de oxidação tão baixos”.

Evidências geológicas e metodologia de estudo

A equipe de pesquisa, incluindo a principal autora do estudo, Susan Berner, que completou uma bolsa de pré-doutorado no Museu Nacional de História Natural e agora é professora assistente no Berea College, em Kentucky, iniciou sua investigação para compreender a relação entre o manto sólido da Terra e as estruturas vulcânicas modernas. rochas no fundo do mar. Os pesquisadores começaram estudando um grupo de rochas escavadas no fundo do mar em duas dorsais oceânicas onde as placas tectônicas divergem e o manto se move para a superfície e produz uma nova crosta.

Os dois locais onde as rochas estudadas foram coletadas, a Cordilheira Jackyll, perto do Pólo Norte, e a Cordilheira do Sudoeste da Índia, entre a África e a Antártica, estão entre os limites de placas tectônicas de propagação mais lenta no mundo. O ritmo lento de propagação nestas dorsais oceânicas significa que são relativamente calmas, em termos vulcânicos, em comparação com as dorsais vulcânicas de expansão mais rápida, como a Dorsal do Pacífico Leste. Isto significa que as rochas recolhidas destas cristas de expansão lenta são provavelmente amostras do próprio manto.

A popa do navio de pesquisa R/V Knorr no mar em 2004. O casco em forma de A segura o gigante balde de metal e a corrente que é baixada mais de 10.000 pés abaixo da superfície do oceano e arrastada ao longo do fundo do mar para coletar amostras geológicas. Direitos autorais: Emily Van Ark

Quando a equipe analisou as rochas do manto coletadas nessas duas cristas, descobriu que elas compartilhavam propriedades químicas estranhas. Primeiro, as rochas derreteram em uma extensão muito maior do que é típico das rochas do manto hoje. Em segundo lugar, as rochas estavam muito menos oxidadas do que a maioria das outras amostras de rochas do manto.

Para atingir este elevado grau de fusão, os investigadores concluíram que as rochas devem ter derretido profundamente no solo a temperaturas muito elevadas. 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. Assim, os pesquisadores concluíram que essas rochas do manto provavelmente derreteram durante o Éon Arqueano, quando a temperatura do interior do planeta estava entre 360 ​​e 540 graus. F (200-300 graus Celsius) mais quente do que é hoje.

Ser altamente solúvel protegeria estas rochas de um maior derretimento que poderia alterar a sua assinatura química, permitindo-lhes circular no manto da Terra durante milhares de milhões de anos sem alterar significativamente a sua química.

“Este facto por si só não prova nada, mas abre a porta à possibilidade de que estas amostras sirvam como verdadeiras cápsulas geológicas do tempo que remontam à era arqueana”, disse Cottrell.

Explicação científica e insights

Para explorar cenários geoquímicos que possam explicar os baixos níveis de oxidação das rochas coletadas em Jackel Ridge e no sudoeste de Indian Ridge, a equipe aplicou vários modelos às suas medições. Os modelos revelaram que os baixos níveis de oxidação medidos nas suas amostras foram provavelmente causados ​​pelo derretimento sob condições extremamente quentes nas profundezas da Terra.

Ambas as linhas de evidência apoiaram a interpretação de que as propriedades atípicas das rochas representam uma assinatura química resultante do derretimento nas profundezas da Terra durante o Arqueano, quando o manto era capaz de produzir temperaturas extremamente altas.

Anteriormente, alguns geólogos interpretaram as rochas do manto com baixos níveis de oxidação como evidência de que o manto arqueano estava menos oxidado e que através de algum mecanismo 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, a reciclagem do antigo fundo do mar por subducção e o envolvimento contínuo do núcleo da Terra na química do manto. Mas até agora, os proponentes desta visão não concordaram com nenhuma explicação única.

Em vez disso, as novas descobertas apoiam a visão de que o nível de oxidação no manto da Terra tem sido em grande parte constante durante milhares de milhões de anos, e que a baixa oxidação observada em algumas amostras do manto surgiu sob condições geológicas que a Terra já não consegue produzir porque o seu manto desde então esfriou. Então, em vez de algum mecanismo que faça o manto da Terra mais oxidado ao longo de bilhões de anos, e o novo estudo afirma que as altas temperaturas na era arqueana fizeram com que partes do manto menos Como a atmosfera da Terra esfriou desde a era arqueana, ela não é mais capaz de produzir rochas com níveis de oxidação muito baixos. Cottrell diz que o processo de resfriamento da atmosfera terrestre fornece uma explicação muito mais simples: a Terra simplesmente não produz mais rochas como fazia no passado.

Cottrell e seus colegas estão agora buscando compreender melhor os processos geoquímicos que formaram as rochas do manto arqueano da cordilheira Jackyll e do sudoeste da cordilheira indiana, simulando em laboratório as pressões e temperaturas extremamente altas encontradas em Archaea.

Referência: “Derretimento profundo, quente e antigo registrado por oxigenação extremamente baixa em peridotita” por Susan K. Berner, Elizabeth Cottrell e Fred A. Davis e Jéssica M. Warren, 24 de julho de 2024, natureza.
doi: 10.1038/s41586-024-07603-s

Além de Berner e Cottrell, o estudo foi coautor de Fred Davis, da Universidade de Minnesota Duluth, e Jessica Warren, da Universidade de Delaware.

A pesquisa foi apoiada pelo Smithsonian Institution e pela National Science Foundation.