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Fsicos detalham as estruturas e as transformaes

de minerais em regies profundas do interior do planeta

Carlos Fioravanti

I L U S T R A E S

D R M

Abrindoa Terra

CAPA

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PESQUISA FAPESP 198 | 19

Chegar Lua, a quase 400 mil quilme-tros de distncia, ou mandar satlitespara conhecer outros planetas podeparecer mais fcil do que conhecer

a composio e o funcionamento dointerior da Terra, uma esfera quase perfeita com

12 mil quilmetros (km) de dimetro. Os furos desondagem chegaram a apenas 12 km de profun-didade, mal vencendo a crosta, a camada mais

superficial. Como no podem examinar direta-mente o interior do planeta, os cientistas esto

se valendo de simulaes em computador paraentender como se forma e se transforma a mas-sa slida de minerais das camadas mais profun-das do interior do planeta quando submetida a

presses e temperaturas centenas de vezes maisaltas que as da superfcie. Como resultado, estoidentificando minerais que se formam a milhares

de quilmetros da superfcie e reconhecendo apossibilidade de existir um volume de gua su-perior a um oceano disperso na espessa massa

de rochas sob nossos ps.A fsica brasileira RenataWentzcovitch, pes-

quisadora da Universidade de Minnesota, Es-tados Unidos, responsvel por descobertasfundamentais sobre o interior do planeta em-pregando, justamente, tcnicas matemticas ecomputacionais que desenvolve desde 1990. Em1993, ela elucidou a estrutura atmica da pero-vskita a altas presses; a perovskita o mineralmais abundante no manto inferior, a camadamais ampla do interior do planeta, com umaespessura de 2.200 km, bem menos conhecidaque as camadas mais externas (ver infogrficoa seguir sobre as camadas do interior da Terra).

Em 2004 Renata, com sua equipe, identificoua ps-perovskita, mineral que resulta da trans-formao da perovskita submetida a presses etemperaturas centenas de vezes mais altas queas da superfcie, como nas regies mais profun-das do manto. Os resultados ajudaram a expli-car as velocidades das ondas ssmicas, geradaspelos terremotos, que variam de acordo com as

propriedades dos materiais que atravessam erepresentam um dos meios mais utilizados pa-ra entender a composio do interior da Terra.Agora novos estudos de Renata indicaram quea ps-perovskita tende a se dissociar em xidoselementares, como xido de magnsio e xido desilcio, medida que a presso e a temperaturaaumentam ainda mais, como no interior dos pla-netas gigantes, Jpiter, Saturno, Urano e Netuno.

Estamos com a faca e o queijo na mo paradescobrir a constituio e as diferenas de com-posio do interior de planetas, diz. Segundoela, as tcnicas que desenvolveu podem prever

FSICA

GEOLOGIA

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o comportamento de estruturas cristalinas com-plexas, formadas por mais de 150 tomos. Aolongo do manto terrestre, as estruturas cristali-nas dos minerais so diferentes, mas a compo-sio qumica das camadas do interior da Terraparece ser uniforme.

Por meio de trabalhos como os de seu grupoagora se comea a ver melhor como os mineraisdo interior da Terra tendem a perder elasticidade

e se tornarem mais densos quando submetidos aalta presso e temperatura, que aumentam com aprofundidade. Em razo do aumento da presso que se acredita que a densidade do centro daTerra formado por uma massa slida de ferroa temperatura prxima a 6.000 graus Celsius(C) seja de quase 13 gramas por centmetrocbico, quatro vezes maior que a da superfcie,indicando que em um mesmo volume cabemquatro vezes mais tomos.

Sem direito fico e apegados a mtodosrigorosos como a anlise dos resultados de cl-

culos tericos, de experimentos em laboratrio,de levantamentos geolgicos e da velocidade dasondas ssmicas, fsicos, geofsicos, gelogos egeoqumicos esto abrindo o planeta e amplian-do o conhecimento sobre as regies de massarochosa compacta abaixo do limite de 600 km,que marca uma regio mais densa do manto, achamada zona de transio, a partir da qual seconhecia muito pouco. Os especialistas acredi-tam que podero entender melhor e talvez umdia prever os terremotos e os tsunamis, almde identificar jazidas minerais mais facilmentedo que hoje, se conseguirem detalhar a compo-sio e os fenmenos das regies inacessveis dointerior do planeta.

OCEANOS SUBMERSOSMesmo das camadas mais externas esto emer-gindo novidades, que desfazem a antiga imagemdo interior do planeta como uma sequncia decamadas regulares como as de uma cebola. Em2003, por meio de levantamentos mundiais de-talhados, pesquisadores dos Estados Unidos co-mearam a ver irregularidades da crosta, cuja es-

pessura varia de 20 a 68 km, deixando as regiesmais finas mais sujeitas a terremotos e as maisespessas, a colapsos.

Comeamos a ver a interao da crosta e aregio mais superficial do manto, comentou ogeofsico Walter Mooney, do Servio Geolgicodos Estados Unidos, noFrontiers in Earth Scien-ce, encontro realizado no incio de julho na Uni-versidade de So Paulo (USP). Os geofsicos dosEstados Unidos esto reexaminando as possveisconsequncias de dois fenmenos que ocorremcom a crosta. O primeiro o mergulho das placastectnicas pedaos mveis e rgidos da litosfe-

ra, a camada superficial que inclui a regio maisexterna do manto em regies mais profundasdo manto, ampliando o risco de tremores de terranas regies onde ocorrem. Os dados reiteram asconcluses de um estudo recente coordenado porMarcelo Assumpo, professor do Instituto deAstronomia, Geofsica e Cincias Atmosfricas(IAG) da USP. Fsico de formao, Assumpo,em colaborao com pesquisadores da Univer-

sidade de Braslia, verificou que os tremores deterra no Brasil ocorrem com maior frequnciaem regies onde a crosta e a litosfera so maisfinas, portanto mais frgeis.

A entrada de gua na litosfera, abaixo da cros-ta, outro fenmeno que est sendo delineado. intrigante porque a gua no poderia ser arma-zenada na crosta inferiorpor causa da presso exer-cida pelas camadas de ro-chas e da temperatura decerca de 205C; portanto,

evaporaria rapidamente.Na verdade, o que existeno interior da Terra no exatamente gua, mas oscomponentes da molculade gua, hidrognio e oxi-gnio, ligados estruturacristalina dos minerais naforma de H2O ou OH.

Mooney e sua equipedetectaram uma intensaintromisso aqutica emregies dos Andes ondea crosta atinge 65 km deespessura, mas no soube-ram explicar a razo des-se fenmeno. Onde essagua est armazenada?Qual o volume?, questio-nou-se, diante dos colegasde vrios pases que com-pareceram reunio cien-tfica na USP. Talvez, ele comentou, a gua venhadas placas tectnicas que afundam ou se afastam.Os especialistas viram que a litosfera sem gua

geologicamente mais antiga, enquanto a hidratada mais recente, indicando que a hidratao pode-ria contribuir para a formao ou transformaodas camadas mais externas ou mesmo do mantomais profundo, prximo ao ncleo.

Molculas de gua so importantes porque,mesmo em propores nfimas, de 0,1%, podemmudar a viscosidade dos materiais, e portanto aviso sobre a circulao de matria e energia nointerior da Terra, comenta o fsico Joo Francis-co Justo Filho, professor da Escola Politcnica daUSP que trabalha com Renata Wentzcovitch des-de 2007. Uma grande quantidade de gua pode

O interior

da Terra podeabrigar umvolume de guaequivalente avrios oceanos,na formade molculas

de HO e OHdispersas emmeio massade rochas

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Uma prensasob nossos psOs minerais do interior do planeta perdem elasticidade e se tornam

mais densos medida que a presso e a temperatura aumentam

A perovskita se transforma em ps-perovskita no interior da Terra

e eventualmente se decompe em xidos simples nas regies mais

prximas do ncleo dos planetas gigantes do sistema solarINFOGRFICO

DRM

IMAGENS1ANDREWSILVER/USGS2RENATAWENTZCOVITCH

FONTEUNIVERSIDADEDEYORK

3.500C

600C

1.300C

6.500C

6.000

6.371

360

300

200

100

80

60

40

20

0

5.000

4.000

3.000

2.000

1.000

0MANTO SUPERIORProfundidade

emkm

Press

o

emGP

a

MANTOINFERIOR

NCLEOINTERNO

MANTOSUPERIOR

NCLEOEXTERNO

ZONA DETRANSIO

REGIO D

MAGNSIO

SILCIO(centro dosoctaedros)

OXIGNIO(pontas dosoctaedros)

CROSTAZONA DE TRANSIO

CROSTA

MANTOINFERIOR

NCLEOEXTERNO

NCLEOINTERNO

REGIO D

Temperaturasaproximadas

A perovskitaem transformaoElevadas presses e temperaturas

modificam o mineral mais abundante

no manto inferior

Quando a Terra tremeTerremotos geram dois tipos de ondas, P e S. As ondas Patravessam toda a Terra, enquanto as S morremao encontrar o ncleo externo. A trajetria das ondasdepende das propriedades dos materiais que atravessam

CROSTA

140

105

MANTO

NCLEOINTERNOSLIDO

NCLEO EXTERNOLQUIDO

ZONA DESOMBRA DE

ONDAS P

ZONA DESOMBRA DE

ONDAS P

EPICENTRO

SEM ONDAS S

DIRETAS

SEMONDASP

DIRETA

S

ON

DASPESO

NDAS

PES

SEM

ONDASP

DIRET

AS

Ondas P

Ondas S

1

2

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vezes maior que a presso na superfcie terres-tre) e 2.000C a 4.000C. Renata apresentou aestrutura cristalina desse mineral um silicatode magnsio e ferro em 1993 na revistaPhysi-cal Review Letters por meio de losangos verdese amarelos, lembrando a bandeira brasileira. Arazo era simples: Saudade, diz a pesquisadora,que mora nas cidades gmeas Minepolis-SaintPaul, com 2,5 milhes de habitantes, prximo fronteira com o Canad, onde a temperaturano inverno pode se manter em 20C negativosdurante semanas.

Em colaborao com fsicos da Itlia e do Bra-sil, Renata verificou que os tomos de ferro deum mineral chamado ferropericlsio, o segundomais abundante no manto inferior, perdem umade suas propriedades mais marcantes, o magne-tismo, desse modo explicando um fenmeno quehavia sido observado em laboratrio. Em 2007Joo Justo trabalhou em Minnesota com Renatae desenvolveram uma srie de equaes que es-tabelecem a mudana de propriedades elsticase velocidades ssmicas durante a surpreenden-te perda de magnetismo do ferro resultante doaumento da presso no mineral ferropericlsio.

O tamanho do tomo de ferro diminui quan-do perde o momento magntico e desse modotorna o ferropericlsio mais denso. Alm disso,minerais com ferro amolecem durante o pro-cesso lento de densificao, como j havia sidoobservado em laboratrio, mas ainda no haviasido explicado, diz Justo. um fenmeno sur-preendente porque o normal o material endu-recer quando se torna mais denso.

Os resultados a que ele e Renata chegaramforam publicados em 2009 na revista PNAS eexplicaram a perda de magnetismo sob pressoe temperatura equivalentes s do manto inferior,

que James Badro, das universidades de Paris 6 e7, havia detectado em laboratrio e relatado naScienceem 2003 e 2004. A verificao experimen-tal desse fenmeno, uma das grandes descobertasda geofsica dos ltimos anos, indicou que a pro-poro de ferro no magntico pode aumentarcom a profundidade e, alm disso, que as cama-das mais profundas do manto inferior podemser ainda mais densas que as menos profundas.

A JORNADAQuando era pr-adolescente, Renata gostava defazer os testes de matemtica que seu av AdolfoFoffano lhe passava todos os dias em que estavamjuntos, nas frias de final de ano em Sumar, inte-rior paulista. Ela estudou fsica na Universidadeda So Paulo e chegou Berkeley, nos EstadosUnidos, em 1983, por recomendao de Jos Ro-berto Leite e Cylon Gonalves da Silva.

A jornada de Renata incluiu uma temporada

em Cambridge e em Londres, de 1990 a 1992,depois de ela ter ampliado as possibilidades deuso de suas tcnicas de simulaes de materiais.Suas novas tcnicas eram to gerais que serviampara estudar o movimento atmico e as transfor-maes de estrutura cristalina a altas presses etemperaturas. Para isso, ela usou o chamado cl-culo de primeiros princpios, baseado na teoriafuncional de densidade, cuja essncia simples:a energia total de um conjunto de eltrons emseu estado de equilbrio depende da densidadetotal de eltrons.

Depois de muito trabalho, deu certo. Em me-nos de um ms, com minhas tcnicas, resolvi aestrutura do silicato de magnsio a alta presso,em que os pesquisadores de Cambridge traba-lhavam havia dois anos, diz ela. Resolver umaestrutura, ela explica, significa identificar a po-sio de equilbrio e os graus de liberdade de umaestrutura cristalina com certa simetria que mini-mizam a energia interna. At ento podiam-sedeterminar facilmente apenas estruturas comoa do diamante, formada por dois tomos na basee um grau de liberdade, que se reflete na distn-cia entre os tomos de carbono. A estrutura da

perovskita tem 20 tomos de silcio, magnsio eoxignio e 10 graus de liberdade, muito maiscomplexa que a estrutura dos semicondutorese por isso o seu comportamento a altas pressesera at ento desconhecido, diz ela.

No incio, um de seus problemas era que nopodia conferir experimentalmente suas previsestericas. Mas, em 2003, trabalhando com pesqui-sadores do Instituto de Tecnologia de Tquio,Renata e sua equipe de Minnesota analisaramo espectro de raios X que diferiam muito dosesperados a presses muito altas. Eles conclu-ram que havia ocorrido uma transformao de

O PROJETO

Simulao e modelagem

de minerais a altas presses

n 09/14082-3

MODALIDADE

Projeto Temtico

COORDENADORJoo Francisco Justo Filho USP

INVESTIMENTOR$ 184.378,73

BRUCE BOLT

1973

ADAM DZIEWONSKI

1990

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fase ou mudana de estrutura cristalina parauma estrutura desconhecida. No incio no acre-ditei, diz ela, porque a perovskita parecia toestvel! No ano seguinte, um artigo naScienceapresentou a nova estrutura cristalina e lanou aps-perovskita, hoje reconhecida como o mate-rial mais abundante na regio do manto conhe-cida como D, em contato com a camada maisexterna do ncleo da Terra. A ps-perovskita

explica muitas caractersticas geofsicas dessaregio da Terra, observou Mallmann, da USP.

A ps-perovskita tem uma estrutura em cama-das, atravs das quais viajam as ondas ssmicas,em velocidades que dependem da direo inicial.Esse trabalho reforou a concluso de outros es-tudos, que haviam indicado que esse mineral po-deria se formar em diferentes profundidades domanto inferior.

No relato publicado naScienceem 24 de marode 2004, o fsico Surendra Saxena, da Univer-sidade Internacional da Flrida, Estados Uni-

dos, contestou as concluses, disse que aindaacreditava que a perovskita se decompe apenasnas regies do manto mais prximas do ncleoe lembrou que a teoria ainda no era perfeita,mas estudos subsequentes sobre a propagaode ondas ssmicas parecem confirmar a presen-a da ps-perovskita na regio D. Temos tidomuita sorte, comentou Renata. Os resultadosde clculos computacionais de velocidades naps-perovskita so surpreendentes, pois repro-duzem muitas observaes sismolgicas da re-gio D, at ento inexplicveis. No dever sersimples coincidncia.

Foi tambm em 2004, quando esse trabalho co-meou a circular, que Renata recebeu um finan-ciamento de US$ 3 milhes da National ScienceFoundation, dos Estados Unidos, para montaro Laboratrio Virtual de Materiais Planetriose Terrestres (VLab) no Instituto de Supercom-putao da Universidade de Minnesota. O VLabreuniu qumicos, fsicos, cientistas da compu-tao, geofsicos e matemticos que, motivadospela possvel existncia da ps-perovskita emoutros planetas, comearam a ver as provveistransformaes que os minerais poderiam sofrer

no interior dos planetas gigantes do sistema solar Jpiter, Saturno, Urano e Netuno, com massapelo menos 10 vezes maior que a da Terra, sobpresses e temperaturas ainda mais altas.

Os resultados de seu grupo, como os detalha-dos naScience em 2006, apresentando as pro-vveis transformaes do silicato de magnsionos planetas gigantes mais prximos da Terra,indicaram que essas tcnicas de clculo podemser teis para estudar a evoluo de planetas.Os padres de comportamento dos mineraisem planetas diversos no podem ser s coinci-dncia, ela comentou, diante da plateia que a

ouvia atentamente durante o seminrio na USP.As simulaes do comportamento de materiais

em altas profundidades e os estudos experimen-tais, principalmente quando se casam, ajudam aelucidar os fenmenos do interior da Terra. Emjulho, pesquisadores franceses anunciaram queconseguiram recriar em laboratrio as condiesambientais do limite do ncleo externo com omanto inferior. Eles mostraram, por

meio de anlises de raios X, que asrochas parcialmente derretidas quan-do submetidas a alta temperatura epresso podem se mover em dire-o superfcie da Terra, originandoilhas vulcnicas como as do Hava.

UMA TERRA MAIS REALAs novas informaes sobre o inte-rior do planeta alimentam o trabalhode grupos brasileiros de pesquisa em

geofsica bsica, focados no exameda Terra em grande escala, em SoPaulo, Rio de Janeiro, Rio Grande doNorte e Distrito Federal. De modomais amplo, beneficiam as equipesde geofsica aplicada, que trabalhamcom petrleo, minerao e gua sub-terrnea, da Bahia, Par, Rio, SoPaulo, Rio Grande do Norte, DistritoFederal e Rio Grande do Sul.

Vistos em conjunto, os resultadosajudam a construir uma imagem mais slida daTerra, j representada de muitos modos nos lti-mos sculos. O conhecimento sobre a estrutura eo interior da Terra avanou bastante desde 1912,quando o geofsico alemo Alfred Wegener con-cluiu que a Terra deveria ser formada por placasrgidas que se movem, e se distancia cada vez maisdas imagens poticas daViagem ao centro da Terra,a magnfica obra do escritor francs Jlio Verne,publicada em 1864. Hoje sabemos que o interiorda Terra, diferentemente do que Jlio Verne escre-veu, assegura Justo, absolutamente misteriosoe certamente inabitvel. Nem por isso, diz As-sumpo, nosso planeta deixa de ser fascinante. n

Mesmo que oconhecimento

cientfico deixemenos espao

para viagens

como a deJlio Verne,a Terra no

deixa de serfascinante

Artigos cientficos

WENTZCOVITCH, R.M. et al. Ab initio molecular dynamicswith variable cell shape: Application to MgSiO3. PhysicalReview Letters.v. 70, p. 3.947-50. 1993.

TSUCHIYA, T. et al. Phase transition in MgSiO3perovskitein the earths lower mantle. Earth and Planetary ScienceLetters.v. 224, n. 3-4, p. 241. 2004.

WENTZCOVITCH, R.M. et al. Anomalous compressibilityof ferropericlase throughout the iron spin crossover. PNAS.v. 106, p. 8.447-52. 2009.

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