O piloto da Apollo 8, Bill Anders, capturou esta foto icônica da Terra da órbita ao redor da Lua na véspera de Natal, 24 de dezembro de 1968. Os continentes da Terra – únicos no sistema solar – são visíveis, elevando-se acima do oceano. Crédito: NASA

As novas experiências levantam questões sobre a explicação comum para as propriedades que dão origem à terra seca.

Embora seja um fator crucial para tornar a Terra um lugar mais hospitaleiro para a vida em comparação com outros planetas do sistema solar, as origens e características únicas dos continentes e grandes pedaços da crosta do planeta permanecem em grande parte um mistério.

Um estudo recente de Elizabeth Cottrell, geóloga pesquisadora e curadora de rochas no Smithsonian National Museum of Natural History, e Megan Hollickross, Peter Buck Fellow e National Science Foundation Fellow no museu e agora professora assistente na Cornell University, avançou nosso conhecimento da crosta terrestre, testando e refutando uma teoria amplamente aceita relacionada ao menor teor de ferro e níveis redox mais altos da crosta continental em comparação com a crosta oceânica.

A pobre composição de ferro na crosta continental é uma das principais razões pelas quais vastas porções da superfície da Terra se situam acima do nível do mar como terra seca, tornando a vida terrestre possível hoje.

O estudo publicado recentemente na revista ciênciasusa experimentos de laboratório para mostrar que a química oxidativa que esgota o ferro, típica da crosta continental da Terra, provavelmente não veio da cristalização do mineral calcedônia, interpretação comum proposta em 2018.

Os blocos de construção da nova crosta continental emergem das profundezas da Terra no que é conhecido como vulcões de arco continental, que são encontrados em zonas de subducção onde uma placa oceânica afunda sob uma placa continental. Na explicação da granada sobre o estado empobrecido e oxidado do ferro na crosta continental, a cristalização da granada no magma sob esses vulcões continentais remove o ferro não oxidado (reduzido ou férrico, como é conhecido entre os cientistas) das placas da Terra, esgotando o ferro na mesmo tempo. O magma derretia o ferro deixando-o mais oxidado.

Micrografias de um experimento conduzido para este estudo. A imagem contém vidro (marrom), ágata grande (rosa) e outros pequenos cristais minerais. O campo de visão tem 410 μm de largura, aproximadamente o tamanho de um cristal de açúcar. Crédito: J. MacPherson e E. Cottrell, Smithsonian

Uma das principais consequências da diminuição do teor de ferro na crosta continental da Terra em relação à crosta oceânica é que ela torna os continentes menos densos e mais flutuantes, fazendo com que as placas continentais se elevem acima do manto do planeta a partir das placas oceânicas. Essa discrepância em densidade e flutuabilidade é uma das principais razões pelas quais os continentes têm terra seca enquanto as crostas oceânicas estão submersas, e por que as placas continentais sempre aparecem no topo quando encontram placas oceânicas em zonas de subducção.

A explicação de Garnet para o esgotamento e oxidação de ferro no arco continental de magma foi convincente, mas Cottrell disse que um aspecto disso simplesmente não se encaixava nela.

“Você precisa de altas pressões para tornar a ágata estável, e você encontra esses magmas com baixo teor de ferro em lugares onde a crosta não é tão espessa, então a pressão não é muito alta”, disse ela.

Em 2018, Cottrell e seus colegas decidiram encontrar uma maneira de testar se a cristalização de granadas em profundidade sob esses vulcões em arco era realmente necessária para o processo de formação da crosta continental conforme entendida. Para conseguir isso, Cottrell e Holicros tiveram que encontrar maneiras de replicar o calor e a pressão extremos da crosta terrestre em laboratório e, em seguida, desenvolver técnicas sensíveis o suficiente para não apenas medir quanto ferro está presente, mas também distinguir a oxidação desse ferro.

Para recriar a enorme pressão e calor encontrados sob os vulcões do arco continental, a equipe usou as chamadas prensas de cilindro de pistão no laboratório de alta pressão do museu e em Cornell. O pistão de um cilindro de pistão hidráulico tem aproximadamente o tamanho de um mini-frigorífico e é feito principalmente de aço incrivelmente grosso e forte e carboneto de tungstênio. A força aplicada por um grande pistão 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 de uma prensa pistão-cilindro e conjunto de aquecimento permite experimentos que podem atingir níveis de pressão e temperaturas muito altos encontrados sob vulcões.

Elizabeth Cottrell, geóloga pesquisadora e curadora de rochas do Museu Nacional de História Natural do Smithsonian Institution, carrega um experimento em seu laboratório no museu. Crédito: Jennifer Renteria, Smithsonian

Em 13 experimentos diferentes, Cottrell e Holicros cultivaram amostras de granada de rocha fundida dentro de uma prensa de cilindro de pistão 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 – cerca de 15.000 a 30.000 pressões terrestres, ou 8.000 vezes maior que a pressão dentro de uma lata de refrigerante. As temperaturas variaram de 950 a 1230 graus[{” attribute=””>Celsius, which is hot enough to melt rock.

Next, the team collected garnets from Smithsonian’s National Rock Collection and from other researchers around the world. Crucially, this group of garnets had already been analyzed so their concentrations of oxidized and unoxidized iron were known.

Finally, the study authors took the materials from their experiments and those gathered from collections to the Advanced Photon Source at the U.S. Department of Energy’s Argonne National Laboratory in Illinois. There the team used high-energy X-ray beams to conduct X-ray absorption spectroscopy, a technique that can tell scientists about the structure and composition of materials based on how they absorb X-rays. In this case, the researchers were looking into the concentrations of oxidized and unoxidized iron.

The samples with known ratios of oxidized and unoxidized iron provided a way to check and calibrate the team’s X-ray absorption spectroscopy measurements and facilitated a comparison with the materials from their experiments.

The results of these tests revealed that the garnets had not incorporated enough unoxidized iron from the rock samples to account for the levels of iron depletion and oxidation present in the magmas that are the building blocks of Earth’s continental crust.

“These results make the garnet crystallization model an extremely unlikely explanation for why magmas from continental arc volcanoes are oxidized and iron-depleted,” Cottrell said. “It’s more likely that conditions in Earth’s mantle below continental crust are setting these oxidized conditions.”

Like so many results in science, the findings lead to more questions: “What is doing the oxidizing or iron depleting?” Cottrell asked. “If it’s not garnet crystallization in the crust and it’s something about how the magmas arrive from the mantle, then what is happening in the mantle? How did their compositions get modified?”

Cottrell said that these questions are hard to answer but that now the leading theory is that oxidized sulfur could be oxidizing the iron, something a current Peter Buck Fellow is investigating under her mentorship at the museum.

Reference: “Garnet crystallization does not drive oxidation at arcs” by Megan Holycross and Elizabeth Cottrell, 4 May 2023, Science.
DOI: 10.1126/science.ade3418

This study is an example of the kind of research that museum scientists will tackle under the museum’s new Our Unique Planet initiative, a public–private partnership, which supports research into some of the most enduring and significant questions about what makes Earth special. Other research will investigate the source of Earth’s liquid oceans and how minerals may have served as templates for life.

The study was funded by the Smithsonian, the National Science Foundation, the Department of Energy, and the Lyda Hill Foundation.