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Diamantes iluminam as origens dos oceanos mais profundos da Terra

Era um dia de primavera em 2009 e John McNeill tinha um bolso cheio de diamantes.

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Seu orientador de PhD, o geoquímico Graham Pearson, enviara McNeill para um laboratório em Viena com uma caixa de filme que tremulava com diamantes “ultradeep”. Essas não eram as pedras brilhantes de uma joalheria, mas os diamantes brutos que explodiram em direção à superfície de uma região de centenas de quilômetros no manto da Terra chamada zona de transição. Os mineiros do distrito de Juína haviam descoberto vários anos antes. . Os joalheiros haviam passado pelas pedras turvas, mas, para os cientistas, esses minerais preciosos eram janelas na terra profunda.

Em um laboratório escurecido, McNeill apontou um raio de luz para a superfície de pedra após pedra, medindo o espectro espalhado pelos diamantes e suas impurezas - na esperança de encontrar minerais nessas inclusões que pudessem lhe contar como esses diamantes se formaram.

O que ele descobriu, em vez disso, deu aos cientistas a primeira evidência concreta de que havia água no fundo da Terra. Se houvesse um vasto reservatório de moléculas de água integradas em minerais a centenas de quilômetros de profundidade, isso poderia explicar como nosso planeta azul evoluiu em um só com placas tectônicas e água, e eventualmente se tornou habitável. Entender que o processo não é apenas histórico: quanto mais sabemos sobre o que tornou a vida possível em nosso planeta, os cientistas argumentam, quanto mais saberemos sobre encontrar um habitável fora do nosso sistema solar.

Na época, McNeill era pesquisador da Universidade de Durham. Quando ele e Lutz Nasdala, o cientista em cujo laboratório ele estava trabalhando, compararam o espectro criado por uma impureza em um dos diamantes contra um banco de dados de minerais, eles descobriram algo surpreendente: uma mancha microscópica de cristal esverdeado presa dentro do diamante parecia pode ser ringwoodite, um mineral que só foi sintetizado em laboratórios ou encontrado em meteoritos. Nunca havia aparecido em material da Terra.

Se fosse, seria um grande negócio. Ringwoodite sintético era conhecido por ser capaz de incorporar moléculas de água em sua estrutura. Assim, esta amostra terrestre pode finalmente ser capaz de resolver um debate de décadas sobre a quantidade de água aprisionada na zona de transição - uma camada que se estende de 250 a 400 milhas abaixo da crosta - e como ela chegou lá.

No final dos anos 80, o geofísico Joseph Smyth, da Universidade do Colorado, Boulder previu que certos minerais na zona de transição do manto poderiam ter espaço em suas estruturas para moléculas de água. Mas como ninguém conseguia penetrar tão longe na zona de transição para dar uma olhada direta, a maior parte da evidência disso era teórica ou o resultado de experimentos de laboratório. Outros cientistas discordaram, observando que a forma como as ondas sísmicas de um terremoto se moviam sob a superfície - e a pouca frequência de terremotos profundos - previam uma zona de transição seca.

O diamante de McNeill forneceu uma janela do tamanho de uma ervilha para essa camada oculta no centro da Terra, permitindo que os pesquisadores vislumbrassem a composição do nosso planeta.

Cerca de dois anos depois, McNeill havia se formado e Pearson havia se mudado da Universidade de Durham para continuar sua pesquisa na Universidade de Alberta, no Canadá. Em um dia de inverno em 2011, em um laboratório no subsolo sem janelas, o colega de Pearson, Sergei Matveev, suspendeu meticulosamente o diamante contendo anel de madeira dentro de um microscópio infravermelho para analisar o conteúdo da minúscula inclusão.

Demorou algumas horas para Matveev posicionar o diamante para que ele pudesse fazer uma medição. Mas uma vez que ele estava no lugar, levou apenas alguns minutos para obter seus resultados: o ringwoodite continha água.

Matveev tentou manter a calma, mas Pearson estava animado. Ele prefere não repetir o que disse no momento em que percebeu que a teoria e os experimentos de laboratório poderiam agora ser apoiados por uma observação direta da água das profundezas do manto da Terra.

"É possivelmente não imprimível", diz ele.

Um cristal azulado de ringwoodite dentro de uma célula de bigorna de diamante. Um cristal azulado de ringwoodite dentro de uma célula de bigorna de diamante. (Steve Jacobsen / Northwestern University)

McNeill, Pearson e seus colegas publicaram sua descoberta na revista Nature em 2014, mas a questão permaneceu: quão representativo era esse pequeno diamante de toda a zona de transição? Os dois cientistas tiveram o cuidado de observar que o papel deles fornecia evidências de água apenas no pequeno bolso do manto onde esse diamante havia se formado.

Se esta minúscula amostra de madeira de anel fosse realmente representativa, então a zona de transição poderia conter tanta água quanto todos os oceanos da Terra - possivelmente mais. E se o fizesse, poderia ajudar a explicar como as placas tectônicas se movem, formando montanhas e vulcões.

O geofísico Steve Jacobsen, da Universidade Northwestern, adverte contra o visionamento dessa água, já que os oceanos subterrâneos de Júlio Verne estão repletos de monstros marinhos. Em vez disso, ele compara a água na zona de transição ao leite em um bolo. O leite líquido entra na massa, mas uma vez que o bolo sai do forno, os componentes desse leite líquido são incorporados na estrutura do bolo - ele não está mais molhado, mas ainda está lá.

E Jacobsen pensou que ele tinha uma maneira de descobrir o quanto dessa água era “cozida” na Terra abaixo da América do Norte.

Dentro de nosso planeta, rochas incrivelmente quentes e levemente viscosas se movem em direção à superfície em alguns lugares, enquanto em outras, esguicham em direção ao núcleo em uma corrente lenta chamada convecção. Como minerais como o trânsito de ringwoodite de maior para menor profundidade no manto, as altas temperaturas e pressões distorcem a estrutura do mineral. Ringwoodite tingida de azul, por exemplo, começa como um cristal verde chamado olivina perto da superfície, metamorfose para ringwoodite na zona de transição, e se transforma em bridgmanite como ele se move para o manto inferior. Mas ao contrário de ringwoodite, o bridgmanite não retém a água.

Jacobsen teorizou que, se a ringwoodite na zona de transição realmente contivesse tanta água quanto o diamante de Pearson sugeria, então a água sairia do ringwood como magma quando o mineral fosse espremido e aquecido para se tornar bridgmanita.

Então Jacobsen fez ringwoodite que continha água no laboratório, apertou-o entre dois diamantes em um torno de bolso chamado de bigorna de diamante, e o aqueceu com um laser de alta potência. Quando examinou os resultados, descobriu que as altas temperaturas e pressões haviam realmente espremido a água da pedra, criando minúsculas gotículas de magma.

Jacobsen achava que, se a madeira de anel realmente escorria magma rico em água ao ser pressionada no manto inferior, essas manchas de magma deveriam diminuir as ondas sísmicas do terremoto - criando uma espécie de assinatura sísmica da água.

Então, Jacobsen se uniu ao sismólogo Brandon Schmandt, da Universidade do Novo México, para procurar essas assinaturas nos dados coletados pela rede de sismógrafos móveis da National Science Foundation, chamada US Array, que se movia lentamente para o leste da América do Norte. Os pesquisadores viram os soluços sísmicos que eles previram exatamente onde achavam que iriam - no limite entre a zona de transição e o manto inferior da Terra.

Quando ele tenta descrever o que esses resultados significam para ele, Jacobsen está sem palavras. "Esse foi realmente o ponto em que senti que os últimos 20 anos da minha pesquisa valeram a pena", ele finalmente diz. Ele e Schmandt encontraram evidências de que a água estava aprisionada na zona de transição do manto sob a maior parte dos Estados Unidos, e publicaram suas descobertas na revista Science em 2014.

Mas ainda havia um grande ponto cego: ninguém sabia de onde vinha essa água.

Trabalhadores extraem diamantes na região de Juína, no Brasil. Trabalhadores extraem diamantes na região de Juína, no Brasil. (Graham Pearson / Universidade de Alberta)

Em setembro de 2014, Alexander Sobolev partiu para encontrar amostras “frescas” de pedras de lava raras, de 2, 7 bilhões de anos, chamadas komatiites, na esperança de aprender sobre como elas se formaram.

Sobolev, professor de geoquímica da Universidade de Grenoble Alpes, na França, percorreu porções do greenstone belt Abitibi do Canadá com um martelo - batendo komatiites que pareciam promissores, e ouvindo atentamente a pequena percussão. Os melhores, ele diz, fazem um som limpo e bonito.

Sobolev e seus colegas Nicholas Arndt, também da Universidade de Grenoble Alpes, e Evgeny Asafov, do Instituto Vernadsky de Geoquímica da Rússia, coletaram pedaços dessas rochas para levar de volta à França. Lá, eles os esmagaram e extraíram os minúsculos grãos verdes de olivina aninhados no interior antes de enviar os fragmentos de olivina para a Rússia para serem aquecidos a mais de 2.400 graus F e depois rapidamente resfriados. Eles analisaram as inclusões fundidas e resfriadas presas dentro da olivina para entender o que havia acontecido com as plumas de magma à medida que elas subiam pelo manto.

A equipe de Sobolev descobriu que, embora esses komatiites não contivessem tanta água quanto a ringwoodite de Pearson, parecia que o magma que eles formaram haviam absorvido e incorporado uma pequena quantidade de água enquanto viajava pelo manto - provavelmente quando passou pela transição. zona. Isso significaria que a zona de transição do manto continha água há 2, 7 bilhões de anos.

Esse ponto no tempo é importante porque há várias teorias diferentes - mas potencialmente complementares - sobre quando e como a Terra adquiriu sua água, e como essa água entrou profundamente no manto.

A primeira teoria diz que o jovem planeta Terra estava quente demais para reter qualquer água e que chegou mais tarde, pegando carona em meteoritos encharcados ou cometas. Essa água então escorregou para o manto quando as placas tectônicas se moviam umas sobre as outras em um processo chamado de subducção. A segunda teoria diz que a água está no nosso planeta desde o começo - isto é, desde que uma nuvem de gás e poeira se juntou para formar nosso sistema solar há 4, 6 bilhões de anos. Essa água primordial poderia ter sido aprisionada dentro da Terra durante sua acreção, e de alguma forma conseguiu suportar o calor escaldante do jovem planeta.

Então, se a água estava na zona de transição da Terra há 2, 7 bilhões de anos, Sobolev diz, isso significa que ou o movimento das placas tectônicas teve que ter começado muito mais cedo na história do planeta do que os cientistas acreditam atualmente, ou que a água estava aqui desde o começo. .

Lydia Hallis, por exemplo, suspeita que a água esteve lá o tempo todo. Hallis, uma cientista planetária da Universidade de Glasgow, comparou o que ela chama de "sabores" diferentes de água em rochas antigas do manto profundo e na água do mar comum há vários anos. Enquanto a subducção mistura água nos níveis superiores do manto, as porções mais profundas permanecem relativamente imaculadas.

A água é composta de duas moléculas de hidrogênio e uma molécula de oxigênio. Às vezes, quando é incorporado às rochas, na verdade é composto de um hidrogênio e um oxigênio, chamado grupo hidroxila. Diferentes formas, ou isótopos, de hidrogênio têm diferentes pesos moleculares, e o mais pesado isótopo de hidrogênio é conhecido como deutério.

Os cientistas pensam que no local do nascente sistema solar onde a Terra se formou, a água continha muito mais hidrogênio regular que o deutério. Mas como a água persistiu na superfície da Terra, as moléculas de hidrogênio mais leves escaparam para o espaço mais prontamente, concentrando o deutério em nossa atmosfera e nos oceanos.

Hallis descobriu que a água aprisionada em pedras do Ártico canadense, formadas por magma originário das profundezas do manto terrestre, tinha uma menor relação deutério para hidrogênio do que a água do mar. A proporção nessas pedras lembrava mais o que os cientistas achavam que a água primordial parecia, sugerindo que a água era um componente do manto da Terra desde o início.

Isso não exclui a possibilidade de que rochas espaciais úmidas também tenham atingido a Terra e compartilhado parte de sua água. Mas o debate continua. "É assim que a ciência funciona", diz Hallis. "Você está certo, até que alguém prove que está errado."

Uma célula de bigorna de diamante é usada para simular condições no interior da Terra, comprimindo amostras usando enormes pressões. Uma célula de bigorna de diamante é usada para simular condições no interior da Terra, comprimindo amostras usando enormes pressões. (Steve Jacobsen / Northwestern University)

Pearson imaginou se examinar as proporções entre o deutério e o hidrogênio em sua inclusão na madeira deveria dizer-lhe mais sobre se a água na zona de transição era primordial, se estava lá como resultado da subducção, ou se era um pouco de ambos.

Ele recrutou Mederic Palot - um geoquímico atualmente na Universidade Jean Monnet, na França - para polir o diamante até a inclusão de madeira para poder analisar as moléculas de hidrogênio presas dentro. Foi um processo arriscado. Trazer um diamante de tal profundidade significava que suas entranhas estavam sob muita pressão. Cortar e polir o diamante pode danificá-lo e sua inclusão além do reparo.

Palot foi cuidadoso. Ele criou uma espécie de dissipador de calor feito de gelo seco para que o diamante não sobreaquecesse enquanto ele raspava lascas minúsculas da superfície do mineral com um laser. Após cada minuto de polimento, ele levou o diamante até um microscópio para se certificar de que a preciosa inclusão do anel de madeira ainda estava lá.

Após 12 horas de polimento, Palot sabia que estava chegando perto da inclusão. Ele verificou o diamante sob o microscópio às onze da noite - quase lá. Ele poliu por outro minuto e depois verificou o diamante novamente. A inclusão foi embora.

Palot procurou freneticamente por um dia inteiro, vasculhando a área ao redor do microscópio por uma partícula de madeira de anel menor que um grão de poeira.

Ele se lembra da terrível sensação de ter que ligar para Pearson para dar a notícia de que a única amostra de ringwoodite já descoberta que havia sido formada na Terra tinha desaparecido.

Mas Pearson já estava pensando no próximo projeto. "Ele disse: 'Esse é o jogo, sabemos que apostamos nisso'", recorda Palot. E então Pearson disse a ele que eles tinham outra amostra que poderia ser interessante. Ele tinha feito recentemente uma viagem para a mesma região do Brasil, onde o diamante contendo ringwoodite veio, e ele trouxe de volta novas gemas, cada uma com promissoras inclusões para estudar. Agora, Palot, Pearson, Jacobsen e outros estão trabalhando juntos para analisar um diamante ainda mais profundo dentro do manto.

Para Palot e cada um desses cientistas, olhar para os cristais que emergem das profundezas do nosso planeta é mais do que identificar os ingredientes que foram introduzidos na Terra bilhões de anos atrás.

"Todo este ponto é sobre a vida em si", diz Palot. “Sabemos que a vida está intimamente relacionada à água. Se conhecermos melhor o ciclo da água, sabemos melhor como a vida se originou ”.

E se soubermos como a vida se originou em nosso planeta, isso poderia potencialmente nos ajudar a encontrar vida - ou condições de sustentação da vida - nos outros.

Jacobsen acrescenta: “Estamos descobrindo planetas potencialmente habitáveis ​​fora do nosso sistema solar. E quanto mais soubermos sobre como é um planeta habitável, mais poderemos reconhecê-los. ”

Sua busca por água no interior da Terra, diz Jacobsen, nunca foi tão relevante.

Aprenda sobre esta pesquisa e muito mais no Observatório Deep Carbon.

Diamantes iluminam as origens dos oceanos mais profundos da Terra