p Na década de 1960, cerca de 50 anos depois que o pesquisador alemão Alfred Wegener propôs sua hipótese de deriva continental, a teoria das placas tectônicas deu aos cientistas uma estrutura unificadora para descrever o movimento em grande escala das placas superficiais que compõem a litosfera da Terra - uma estrutura que posteriormente revolucionou as geociências. p O modo como essas placas se movem na superfície da Terra é controlado pelo movimento dentro do manto - a força motriz do qual é a convecção devido a anomalias térmicas, com heterogeneidade composicional também esperada. Contudo, o desafio técnico de visualizar estruturas dentro de um opticamente impenetrável, 6, A esfera de rocha de 371 quilômetros de raio permitiu compreender o estado composicional e térmico do manto, bem como sua evolução dinâmica, um desafio de longa data nas ciências da Terra.

p Agora, em um artigo publicado hoje em Nature Communications , pesquisadores do MIT, Colegio Imperial, Rice University, e o Instituto de Ciências da Terra da França relatam evidências diretas de variações laterais na composição do manto abaixo do Havaí. Os resultados fornecem aos cientistas novos insights importantes sobre como a Terra evoluiu ao longo de sua história de 4,5 bilhões de anos, porque é como é agora, e o que isso significa para planetas rochosos em outros lugares.

p Variação composicional

p Os cientistas tratam o manto como duas camadas - o manto inferior e o manto superior - separadas por uma camada limite denominada zona de transição do manto (MTZ). Fisicamente, o MTZ é limitado por duas descontinuidades de velocidade sísmica perto de 410 km e 660 km de profundidade (referidas como 410 e 660). Essas descontinuidades, que são devido a transições de fase em minerais de silicato, desempenham um papel importante na modulação do fluxo do manto. Variações laterais em profundidade para essas descontinuidades têm sido amplamente utilizadas para inferir anomalias térmicas no manto, como a física mineral prevê um 410 mais raso e um 660 mais profundo nas regiões frias e um 410 mais profundo e um 660 mais raso nas regiões quentes.

p Estudos petrológicos e numéricos anteriores também prevêem a segregação composicional de materiais basálticos e harzburgíticos (e, portanto, a heterogeneidade composicional) perto da base do MTZ em ambientes relativamente quentes de baixa viscosidade próximos às ressurgências do manto. Mas as evidências observacionais de tal processo são escassas.

p O novo estudo, Contudo, demonstra evidências claras de variação lateral na composição perto da base do MTZ abaixo do Havaí. Esta evidência pode ter implicações importantes para a nossa compreensão geral da dinâmica do manto.

p Como autor principal, Chunquan Yu Ph.D. '16, um ex-aluno de graduação no Grupo Hilst no MIT que agora é pós-doutorado na Caltech, explica, "Nas dorsais do oceano médio, a separação das placas resulta na fusão ascendente e parcial do material do manto. Tal processo causa a diferenciação da litosfera oceânica com material basáltico na crosta e resíduo harzburgítico no manto. À medida que a litosfera oceânica diferenciada esfria, ele desce de volta para o manto ao longo da zona de subducção. Basalto e harzburgito são difíceis de separar em ambientes frios. Contudo, eles podem segregar em ambientes relativamente quentes de baixa viscosidade, como ressurgências próximas ao manto, potencialmente fornecendo uma importante fonte de heterogeneidade composicional no manto da Terra. "

p Olhando com terremotos

p Para explorar essa ideia, Yu e seus colegas usaram uma técnica sísmica envolvendo a análise de reflexos de ondas de cisalhamento no lado inferior das descontinuidades do manto - conhecidas como precursores SS - para estudar estruturas de MTZ abaixo do Oceano Pacífico ao redor do Havaí.

p "Quando ocorre um terremoto, ele irradia energia de compressão (P) e de onda de cisalhamento (S). Ambas as ondas P e S podem refletir de interfaces no interior da Terra, "Yu explica." Se uma onda S deixa uma fonte para baixo e reflete na superfície livre antes de chegar ao receptor, é denominado SS. Os precursores SS são reflexos da onda S do lado inferior das descontinuidades do manto. Porque eles viajam ao longo de caminhos de raio mais curtos, eles são precursores do SS. "

p Usando uma nova técnica de matriz sísmica, a equipe conseguiu melhorar a relação sinal-ruído dos precursores SS e remover fases de interferência. Como resultado, muito mais dados que de outra forma teriam sido descartados tornaram-se acessíveis para análise.

p Eles também empregaram a chamada análise de amplitude versus deslocamento, uma ferramenta amplamente utilizada na sismologia de exploração, para restringir propriedades elásticas perto de descontinuidades de MTZ.

p A análise encontra fortes variações laterais em contrastes radiais em densidade de massa e velocidade de onda em 660, enquanto nenhuma dessas variações foi observada ao longo de 410. Complementando isso, a modelagem termodinâmica da equipe, ao longo de uma faixa de temperaturas do manto para várias composições de manto representativas, impede uma origem térmica para as variações laterais inferidas em contrastes elásticos em 660. Em vez disso, os 660 contrastes inferidos podem ser explicados pela variação lateral na composição do manto:do manto médio (pirolítico; cerca de 60 por cento de olivina) abaixo do Havaí para uma mistura com mais harzburgito derretido (cerca de 80 por cento de olivina) a sudeste do ponto quente. Essa heterogeneidade composicional é consistente com as previsões numéricas de que a segregação de material basáltico e harzburgítico poderia ocorrer perto da base do MTZ perto de afloramentos de manto profundo quente como aquele que é frequentemente invocado para causar atividade vulcânica no Havaí.

p "Foi sugerido que a segregação composicional entre os materiais basálticos e harzburgíticos poderia formar uma camada gravitacionalmente estável sobre a base do MTZ. Se assim for, pode fornecer um filtro para as cavidades de laje e de manto inferior, e, assim, afetam fortemente o modo de convecção do manto e sua circulação química, "disse Yu.

p Este estudo apresenta uma técnica promissora para obter restrições na distribuição até agora indescritível da heterogeneidade composicional dentro do manto da Terra. A segregação composicional perto da base do MTZ era esperada desde 1960 e as evidências de que esse processo realmente ocorre têm implicações importantes para a nossa compreensão da evolução química da Terra. p Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.