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Os continentes fazem parte do que torna a Terra exclusivamente habitável para a vida entre os planetas do sistema solar, mas surpreendentemente pouco se sabe sobre o que deu origem a esses enormes pedaços da crosta do planeta e suas propriedades especiais. Nova pesquisa de Elizabeth Cottrell, geóloga pesquisadora e curadora de rochas no Museu Nacional de História Natural do Smithsonian, e principal autora do estudo, Megan Holycross, anteriormente bolsista Peter Buck e bolsista da National Science Foundation no museu e agora professora assistente na Cornell University, aprofunda a compreensão da crosta terrestre testando e, finalmente, eliminando uma hipótese popular sobre por que a crosta continental é mais pobre em ferro e mais oxidada em comparação com a crosta oceânica. A composição pobre em ferro da crosta continental é uma das principais razões pelas quais vastas porções da superfície da Terra estão acima do nível do mar como terra seca, tornando a vida terrestre possível hoje.
O estudo, publicado hoje na Ciênciausa experimentos de laboratório para mostrar que a química oxidada e empobrecida de ferro típica da crosta continental da Terra provavelmente não veio da cristalização da granada mineral, como uma explicação popular proposta em 2018.
Os blocos de construção da nova crosta continental surgem das profundezas da Terra no que é conhecido como vulcões de arco continental, que são encontrados em zonas de subducção onde uma placa oceânica mergulha sob uma placa continental. Na explicação da granada para o estado oxidado e empobrecido de ferro da crosta continental, a cristalização da granada nos magmas abaixo desses vulcões do arco continental remove o ferro não oxidado (reduzido ou ferroso, como é conhecido entre os cientistas) das placas terrestres, simultaneamente esgotando o magma derretido do ferro e deixando-o mais oxidado.
Uma das principais consequências do baixo teor de ferro da crosta continental da Terra em relação à crosta oceânica é que isso torna os continentes menos densos e mais flutuantes, fazendo com que as placas continentais fiquem mais altas no manto do planeta do que as placas oceânicas. Essa discrepância em densidade e flutuabilidade é uma das principais razões pelas quais os continentes apresentam terra seca enquanto as crostas oceânicas estão submersas, bem como por que as placas continentais sempre aparecem no topo quando encontram placas oceânicas em zonas de subducção.
A explicação da granada para o esgotamento e oxidação do ferro nos magmas dos arcos continentais era convincente, mas Cottrell disse que um aspecto dela não se encaixava bem com ela.
“Você precisa de altas pressões para tornar a granada estável, e você encontra esse magma com baixo teor de ferro em lugares onde a crosta não é tão espessa e, portanto, a pressão não é muito alta”, disse ela.
Em 2018, Cottrell e seus colegas começaram a encontrar uma maneira de testar se a cristalização da granada nas profundezas desses vulcões em arco é realmente essencial para o processo de criação da crosta continental, conforme é entendido. Para conseguir isso, Cottrell e Holycross tiveram que encontrar maneiras de replicar o calor intenso e a pressão da crosta terrestre em laboratório e, em seguida, desenvolver técnicas sensíveis o suficiente para medir não apenas quanto ferro estava presente, mas para diferenciar se esse ferro foi oxidado. .
Para recriar a pressão e o calor maciços encontrados sob os vulcões do arco continental, a equipe usou as chamadas prensas de pistão-cilindro no Laboratório de Alta Pressão do museu e em Cornell. Uma prensa hidráulica de pistão-cilindro tem aproximadamente o tamanho de uma minigeladeira e é feita principalmente de aço incrivelmente espesso e forte e carboneto de tungstênio. A força aplicada por um grande aríete hidráulico resulta em pressões muito altas em pequenas amostras de rocha, com cerca de um milímetro cúbico de tamanho. A montagem consiste em isoladores elétricos e térmicos envolvendo a amostra de rocha, bem como um forno cilíndrico. A combinação da prensa pistão-cilindro e conjunto de aquecimento permite experimentos que podem atingir as pressões e temperaturas muito altas encontradas sob os vulcões.
Em 13 experimentos diferentes, Cottrell e Holycross cultivaram amostras de granada de rocha derretida dentro da prensa pistão-cilindro sob pressões e temperaturas projetadas para simular condições dentro de câmaras de magma nas profundezas da crosta terrestre. As pressões usadas nos experimentos variaram de 1,5 a 3 gigapascais – ou seja, cerca de 15.000 a 30.000 atmosferas terrestres de pressão ou 8.000 vezes mais pressão do que dentro de uma lata de refrigerante. As temperaturas variaram de 950 a 1.230 graus Celsius, o que é quente o suficiente para derreter a rocha.
Em seguida, a equipe coletou granadas da National Rock Collection do Smithsonian e de outros pesquisadores ao redor do mundo. Crucialmente, este grupo de granadas já havia sido analisado para que suas concentrações de ferro oxidado e não oxidado fossem conhecidas.
Finalmente, os autores do estudo levaram os materiais de seus experimentos e aqueles recolhidos de coleções para a Fonte Avançada de Fótons no Laboratório Nacional Argonne do Departamento de Energia dos Estados Unidos, em Illinois. Lá, a equipe usou feixes de raios-X de alta energia para conduzir a espectroscopia de absorção de raios-X, uma técnica que pode informar aos cientistas sobre a estrutura e composição dos materiais com base em como eles absorvem os raios-X. Nesse caso, os pesquisadores estavam analisando as concentrações de ferro oxidado e não oxidado.
As amostras com proporções conhecidas de ferro oxidado e não oxidado forneceram uma maneira de verificar e calibrar as medições de espectroscopia de absorção de raios X da equipe e facilitaram uma comparação com os materiais de seus experimentos.
Os resultados desses testes revelaram que as granadas não incorporaram ferro não oxidado suficiente das amostras de rocha para explicar os níveis de esgotamento de ferro e oxidação presentes nos magmas, que são os blocos de construção da crosta continental da Terra.
“Esses resultados tornam o modelo de cristalização de granada uma explicação extremamente improvável de por que os magmas dos vulcões do arco continental são oxidados e o ferro esgotado”, disse Cottrell. “É mais provável que as condições no manto da Terra abaixo da crosta continental estejam estabelecendo essas condições oxidadas”.
Como tantos resultados da ciência, as descobertas levam a mais perguntas: “O que está causando a oxidação ou o esgotamento do ferro?” perguntou Cottrell. “Se não é a cristalização da granada na crosta e é algo sobre como os magmas chegam do manto, então o que está acontecendo no manto? Como suas composições foram modificadas?”
Cottrell disse que essas perguntas são difíceis de responder, mas que agora a principal teoria é que o enxofre oxidado pode estar oxidando o ferro, algo que uma atual Peter Buck Fellow está investigando sob sua orientação no museu.
Este estudo é um exemplo do tipo de pesquisa que os cientistas do museu abordarão sob a nova iniciativa Our Unique Planet do museu, uma parceria público-privada, que apóia a pesquisa em algumas das questões mais duradouras e significativas sobre o que torna a Terra especial. Outras pesquisas investigarão a origem dos oceanos líquidos da Terra e como os minerais podem ter servido como modelos para a vida.
Esta pesquisa foi financiada pelo Smithsonian, National Science Foundation, Departamento de Energia e Lyda Hill Foundation.
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