Qual é a estrutura da Terra? Para começar, consiste em várias camadas: a crosta, o manto superior e inferior e o núcleo. O manto compõe a maior parte do volume do nosso planeta – 84%. O manto inferior representa 55% do volume da Terra – também é mais quente e mais denso que o manto superior.
O manto inferior desempenhou um papel importante na evolução da Terra, incluindo como a Terra esfriou ao longo de bilhões de anos, como os materiais circularam e como a água é armazenada e transportada de/para o interior profundo em uma escala de tempo geológico.
Por mais de sete décadas, a mineralogia do manto inferior tem sido extensivamente estudada. As décadas de estudos, incluindo experimentos de laboratório, simulações computacionais e o estudo de inclusões em diamantes profundos, levaram à conclusão de que o manto inferior consiste em três minerais principais: bridgmanita, ferropericlase e davemaoita.
Em um estudo publicado recentemente na Nature, uma equipe de cientistas – incluindo Byeongkwan Ko, ex-Ph.D. estudante da ASU, agora pesquisador de pós-doutorado na Michigan State University, e Sang-Heon Dan Shim, professor da Escola de Exploração da Terra e do Espaço e professor Navrotsky de Pesquisa de Materiais na ASU, completaram um novo experimento de alta pressão empregando alguns estilos diferentes de aquecimento para revelar um mineral adicional que reside no manto inferior.
Entre esses três minerais principais, dois minerais, bridgmanita e davemaoita, possuem estruturas cristalinas do tipo perovskita. Essa estrutura também é amplamente conhecida em física, química e engenharia de materiais, pois alguns materiais com estrutura do tipo perovskita mostraram supercondutividade.
Em profundidades rasas, minerais com estruturas cristalinas semelhantes geralmente se fundem e se tornam minerais únicos, geralmente sob um ambiente de alta temperatura. Por exemplo, o diopsídio mineral possui cálcio e magnésio e é estável na crosta. Apesar da semelhança estrutural, no entanto, os estudos existentes mostraram que a davemaoite, rica em cálcio, e a bridgmanite, rica em magnésio, permanecem separadas ao longo do manto inferior.
“Por que davemaoite e bridgmanite não se fundem em uma, apesar do fato de terem estruturas em escala atômica muito semelhantes? Esta questão tem fascinado os pesquisadores ao longo de duas décadas”, disse Shim. “Muitas tentativas foram feitas para encontrar as condições em que esses dois minerais se fundem, mas a resposta dos experimentos tem sido consistentemente dois minerais separados. Aqui sentimos que precisamos de algumas novas idéias em experimentos.”
O novo experimento foi uma oportunidade para o grupo de pesquisa experimentar várias técnicas de aquecimento para comparar métodos. Em vez de aumentar a temperatura lentamente em experimentos convencionais de alta pressão, eles aumentaram a temperatura muito rapidamente para a alta temperatura relacionada ao manto inferior, atingindo 3.000-3.500 F em um segundo. A razão para isso foi que, uma vez que dois minerais estruturados em perovskita se formam, torna-se muito difícil para eles se fundirem, mesmo que entrem em condições de temperatura em que um único mineral de perovskita deve ser estável.
Ao aquecer as amostras rapidamente às temperaturas alvo, Ko e Shim foram capazes de evitar a formação de dois minerais estruturados por perovskita em baixas temperaturas. Uma vez que atingem a temperatura do manto inferior, eles monitoram quais minerais se formam por 15 a 30 minutos usando feixes de raios-X na Fonte Avançada de Fótons. Eles descobriram que apenas um único mineral de perovskita se forma, inesperado dos experimentos anteriores. Eles descobriram que em temperaturas suficientemente altas superiores a 3500 F, davemaoite e bridgmanite tornam-se um único mineral na estrutura do tipo perovskita.
“Acredita-se que uma grande diferença de tamanho entre cálcio e magnésio, os principais cátions de davemaoite e bridgmanite, respectivamente, deve impedir a fusão desses dois minerais”, disse Ko. “Mas nosso estudo mostra que eles podem superar essa diferença em ambientes quentes.”
Os experimentos sugerem que o manto inferior mais profundo com temperatura suficientemente alta deve ter uma mineralogia diferente do manto inferior mais raso. Como o manto era muito mais quente no início da Terra, os novos resultados do grupo indicam que a maior parte do manto inferior tinha um único mineral estruturado em perovskita, o que significa que a mineralogia diferia do manto inferior atual.
Esta nova observação tem uma série de impactos substanciais em nossa compreensão da Terra profunda. Muitas observações sísmicas mostraram que as propriedades do manto inferior mais profundo são diferentes do manto inferior mais raso. As mudanças são relatadas como graduais. A fusão de bridgmanite e davemaoite se mostra gradativa nos experimentos do grupo de pesquisa.
Além disso, as propriedades de uma rocha com três minerais principais, bridgmanite, ferropericlase e davemaoite, não combinam bem com as propriedades do manto inferior mais profundo. Ko e colaboradores preveem que esses problemas não resolvidos podem ser explicados por uma fusão de bridgmanita e davemaoita em um novo mineral único estruturado em perovskita.
Publicado em 23/10/2022 11h49
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