A tectônica de placas moldou a superfície da Terra por bilhões de anos:os continentes e a crosta oceânica se empurraram e se puxaram, reorganizando continuamente a fachada do planeta. Quando duas placas maciças colidem, um pode ceder e deslizar sob o outro, em um processo denominado subducção. A laje subduzida então desliza para baixo através do manto viscoso da Terra, como uma pedra plana em uma poça de mel.

Em geral, as lajes de subducção de hoje só podem afundar até certo ponto, a cerca de 670 quilômetros abaixo da superfície, antes que a composição do manto mude de uma consistência de mel, para a de pasta - muito densa para a maioria das lajes penetrarem mais. Os cientistas suspeitaram que esse filtro de densidade existiu no manto durante a maior parte da história da Terra.

Agora, Contudo, geólogos do MIT descobriram que este limite de densidade era muito menos pronunciado no manto da Terra antiga, 3 bilhões de anos atrás. Em um artigo publicado em Cartas da Terra e da Ciência Planetária , os pesquisadores observam que a Terra antiga abrigava um manto que era até 200 graus Celsius mais quente do que é hoje - temperaturas que podem ter se tornado mais uniformes, material menos denso em toda a camada do manto.

Os pesquisadores também descobriram que, em comparação com o material rochoso de hoje, a crosta antiga era composta de material muito mais denso, enriquecido em ferro e magnésio. A combinação de um manto mais quente e rochas mais densas provavelmente fez com que as placas subdutoras afundassem até o fundo do manto, 2, 800 quilômetros abaixo da superfície, formando um "cemitério" de lajes no topo do núcleo da Terra.

Seus resultados pintam um quadro de subducção muito diferente do que ocorre hoje, e sugere que o manto antigo da Terra era muito mais eficiente em retirar pedaços da crosta do planeta.

"Descobrimos que há cerca de 3 bilhões de anos, lajes subduzidas teriam permanecido mais densas do que o manto circundante, mesmo na zona de transição, e não há razão do ponto de vista da flutuabilidade para que as lajes fiquem presas lá. Em vez de, eles devem sempre afundar, que é um caso muito menos comum hoje, "diz o autor principal Benjamin Klein, um estudante de pós-graduação no Departamento da Terra do MIT, Ciências Atmosféricas e Planetárias (EAPS). "Isso parece sugerir que houve uma grande mudança na história da Terra em termos de como a convecção do manto e os processos tectônicos das placas teriam acontecido."

Os co-autores de Klein são Oliver Jagoutz, professor associado em EAPS, e Mark Behn, da Woods Hole Oceanographic Institution.

Diferença de temperatura

"Há uma questão em aberto sobre quando as placas tectônicas realmente começaram na história da Terra, “Diz Klein.“ Há um consenso geral de que provavelmente já existia há pelo menos 3 bilhões de anos. Este é também o momento em que a maioria dos modelos sugere que a Terra estava no seu ponto mais quente. "

Cerca de 3 bilhões de anos atrás, o manto estava provavelmente cerca de 150-200 C mais quente do que hoje. Klein, Jagoutz, e Behn investigou se temperaturas mais altas no interior da Terra fizeram diferença em como as placas tectônicas, uma vez subduzida, foram transportados através do manto.

"Nosso trabalho começou como um experimento mental para dizer:se soubermos que as temperaturas estão muito mais altas, como isso pode ter modulado a aparência da tectônica, sem alterá-lo no atacado? ", diz Klein." Porque o debate anterior era esse argumento binário:ou havia placas tectônicas, ou não havia, e sugerimos que haja mais espaço entre eles. "

Uma "mudança de densidade"

A equipe realizou sua análise, fazendo a suposição de que as placas tectônicas estavam de fato moldando a superfície da Terra há 3 bilhões de anos. Eles procuraram comparar a densidade das lajes subduzidas naquela época com a densidade do manto circundante, a diferença de qual determinaria até que ponto as lajes teriam afundado.

Para estimar a densidade de lajes antigas, Klein compilou um grande conjunto de dados de mais de 1, 400 amostras analisadas anteriormente de rochas modernas e komatiitos - tipos de rochas clássicas que existiam há cerca de 3 bilhões de anos, mas não são mais produzidos hoje. Essas rochas contêm uma quantidade maior de ferro e magnésio densos em comparação com a crosta oceânica atual. Klein usou a composição de cada amostra de rocha para calcular a densidade de uma laje de subducção típica, para os dias modernos e 3 bilhões de anos atrás.

Ele então estimou a temperatura média de uma laje de subducção moderna versus uma antiga, em relação à temperatura do manto circundante. Ele raciocinou que a distância que uma laje afunda depende não apenas de sua densidade, mas também de sua temperatura em relação ao manto:Quanto mais frio um objeto é em relação ao seu entorno, mais rápido e mais ele deve afundar.

A equipe usou um modelo termodinâmico para determinar o perfil de densidade de cada laje de subducção, ou como sua densidade muda à medida que afunda no manto, dada a temperatura do manto, que eles tiraram de estimativas de outros e de um modelo da temperatura da laje. A partir desses cálculos, eles determinaram a profundidade em que cada placa se tornaria menos densa do que o manto circundante.

Neste ponto, eles levantaram a hipótese de que uma "mudança de densidade" deveria ocorrer, de forma que uma laje não possa afundar além deste limite.

“Parece haver esse filtro e controle crítico sobre o movimento das lajes e, portanto, a convecção do manto, "Diz Klein.

Um lugar de descanso final

A equipe descobriu que suas estimativas de onde esse limite ocorre no manto moderno - cerca de 670 quilômetros abaixo da superfície - concordam com as medições reais feitas nesta zona de transição hoje, confirmando que seu método também pode estimar com precisão a Terra antiga.

"Hoje, quando as lajes entram no manto, eles são mais densos do que o manto ambiente no manto superior e inferior, mas nesta zona de transição, as densidades mudam, "Diz Klein." Portanto, dentro desta pequena camada, as lajes são menos densas que o manto, e ficamos felizes em ficar lá, quase flutuando e estagnado. "

Para a antiga Terra, 3 bilhões de anos atrás, os pesquisadores descobriram que, porque o manto antigo era muito mais quente do que hoje, e as lajes muito mais densas, uma mudança de densidade não teria ocorrido. Em vez de, as lajes de subducção teriam afundado direto para o fundo do manto, estabelecendo seu local de descanso final logo acima do núcleo da Terra.

Jagoutz diz que os resultados sugerem que em algum momento entre 3 bilhões de anos atrás e hoje, à medida que o interior da Terra esfriava, o manto mudou de um sistema de convecção de uma camada, em que as lajes fluíram livremente das camadas superiores para as inferiores do manto, para uma configuração de duas camadas, onde as lajes tiveram mais dificuldade em penetrar no manto inferior.

"Isso mostra que quando um planeta começa a esfriar, esta fronteira, mesmo que esteja sempre lá, torna-se um filtro de densidade significativamente mais profundo, "Jagoutz diz." Não sabemos o que acontecerá no futuro, mas em teoria, é possível que a Terra saia de um regime dominante de convecção de uma camada, para dois. E isso faz parte da evolução de toda a Terra. "

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.