Uma fina anomalia sísmica a centenas de quilômetros abaixo da superfície, durante década, vem desafiando uma explicação convincente. Agora, um estudo liderado por Xinyue Zhang, Wei Wei, Youyue Zhang, Zhu Mao e colaboradores propõe uma solução que conecta duas escalas aparentemente distantes do planeta: o movimento das placas tectônicas e a arquitetura mineral do manto profundo. O mecanismo envolve carbono, cálcio, ferro e uma fase mineral rara — a davemaoíta — capaz de transformar a maneira como ondas sísmicas atravessam o interior da Terra.

A questão está na chamada descontinuidade de 520 quilômetros, uma fronteira relativamente discreta na zona de transição do manto. Em algumas regiões, observações sísmicas mostram que ela se divide em dois refletores: um próximo de 520 km e outro, secundário, geralmente entre 520 e 600 km, com ocorrência frequente em torno de 560 km. Esse padrão foi identificado sob áreas de subducção e regiões associadas a material quente ascendente, incluindo partes da América do Norte, Indonésia, Havaí e sul da África.

O problema é quantitativo. A hipótese tradicional atribuía o segundo refletor à exsolução de davemaoíta, CaSiO3, a partir de granadas ricas em cálcio presentes em crosta oceânica subduzida. Mas medições mais recentes das propriedades sísmicas desse mineral indicaram velocidades de onda de cisalhamento 4% a 16% menores que estimativas anteriores. Com isso, a contribuição prevista da davemaoíta produziria uma diferença de impedância sísmica de apenas 0,5% a 1,3% — muito abaixo dos 2% a 4% exigidos pelas observações.

Zhang e seus colegas buscaram o elemento que faltava.

Em uma série de experimentos de alta pressão e temperatura, eles comprimiram materiais representativos da crosta oceânica até 20 GPa, condição equivalente a aproximadamente 560 km de profundidade, e os submeteram a temperaturas entre 1.200 °C e 1.600 °C. Os pesquisadores misturaram composições basálticas do tipo MORB com diferentes quantidades de carbonato de cálcio (CaCO3), reproduzindo condições que uma placa oceânica carbonatada pode encontrar durante sua descida pelo manto.

O resultado altera a interpretação do fenômeno.

Em vez de permanecer quimicamente passivo, o carbonato desencadeia uma troca entre cálcio e magnésio. O cálcio do carbonato migra para os silicatos, enquanto magnésio e ferro passam a integrar o carbonato, formando principalmente magnesita. O efeito é aumentar a quantidade de cálcio disponível nas fases silicatadas e, posteriormente, favorecer a formação de davemaoíta.

A intensidade da transformação depende fortemente da quantidade de carbono disponível. Com apenas 10% em peso de CaCO3, os experimentos a 1.200 °C produziram cerca de 1% em volume de davemaoíta. Em sistemas enriquecidos em CaCO3, a quantidade chegou a 5% na mesma temperatura. A 1.600 °C, amostras contendo 10% de CaCO3 produziram aproximadamente 4%, enquanto sistemas com até 50% de CaCO3 alcançaram 17% em volume.

Mas foi o ferro que revelou uma segunda peça do mecanismo.

Quando os pesquisadores elevaram a fração de ferro, representada por XFe = 0,45, e combinaram essa condição com abundância de carbono, a produção de davemaoíta aumentou dramaticamente. A 1.600 °C, o material experimental alcançou 25% em volume de davemaoíta. Considerando também o cálcio originalmente presente nos silicatos da crosta oceânica, os modelos indicam que litologias simultaneamente ricas em ferro e carbono poderiam produzir 23% a 29% de davemaoíta; com maior concentração inicial de cálcio, o intervalo poderia chegar a 28%–33%.

É justamente essa concentração que resolve o paradoxo sísmico.

Para uma crosta oceânica com XCa entre 0,38 e 0,48, os modelos mostram que condições carbonatadas podem elevar a quantidade de davemaoíta a níveis suficientes para produzir uma diferença de impedância de cisalhamento compatível com os registros sísmicos. Em uma composição com cerca de 11% de CO2, equivalente a aproximadamente 25% de CaCO3, e XFe = 0,2, o sistema pode gerar cerca de 12% de davemaoíta e uma anomalia sísmica de 2,0% a 560 km.

Em uma situação ainda mais extrema — 22% de CO2 e XFe = 0,45 — o modelo prevê cerca de 24% de davemaoíta e uma diferença de impedância de 4,0%, exatamente no intervalo observado pela sismologia. Quando a crosta começa com XCa = 0,48, a adição de apenas 5% a 20% de CO2 pode ser suficiente para produzir 12%–24% de davemaoíta e uma anomalia de 2%–4%.

A implicação é maior que a explicação de um único refletor. Os autores propõem que a crosta oceânica carbonatada funcione como um reservatório suplementar de cálcio. Em setores alterados dos primeiros 200 a 500 metros da crosta oceânica, o conteúdo de carbonato pode atingir aproximadamente 30% em peso de CO2, equivalente a cerca de 68% de CaCO3. Parte desse material pode sobreviver à subducção e continuar reagindo com os silicatos durante a descida.

O fenômeno também pode ajudar a explicar por que a assinatura de 560 km varia de uma região para outra. O oeste do Pacífico, a Indonésia e o Oriente Médio estão entre as regiões que, segundo os autores, transportaram quantidades relativamente elevadas de carbono para o interior durante os últimos 250 milhões de anos. Onde placas ficam represadas na zona de transição, o tempo adicional e o calor favorecem as reações entre carbonatos e silicatos.

O mesmo mecanismo pode deixar marcas em plumas do manto. Inclusões em diamantes superprofundos apresentam granadas excepcionalmente ricas em cálcio, com XCa chegando a 0,64, compatíveis com a possibilidade de antigos fragmentos de crosta oceânica reciclada. Os autores relacionam esses materiais às anomalias de baixa velocidade observadas em algumas regiões de plumas mantélicas.

A força do estudo está, portanto, na ponte entre mineralogia experimental e observação geofísica. A equipe não apenas encontrou uma reação capaz de ocorrer em condições extremas: construiu um mecanismo quantitativo que transforma a história química de uma placa oceânica em uma assinatura detectável por sismologia.

Na síntese apresentada pelos pesquisadores, a divisão da descontinuidade de 520 km não seria apenas consequência de temperatura ou de heterogeneidades composicionais genéricas. Ela pode registrar a trajetória do carbono que desceu da superfície para o interior do planeta. O carbono, nesse cenário, deixa de ser apenas um elemento transportado pelo ciclo profundo e passa a atuar como agente de transformação mineralógica.

A fronteira situada a 560 quilômetros seria, assim, mais que uma linha invisível revelada por ondas sísmicas. Seria uma espécie de arquivo geológico: uma marca produzida quando crosta oceânica, carbonatos e minerais do manto se encontram sob pressões de dezenas de milhares de vezes a atmosférica.

E, nas palavras científicas do próprio estudo, a consequência é particularmente profunda: a descontinuidade de 560 km emerge como uma interface dinâmica moldada pela redistribuição do carbono no manto — uma assinatura sísmica do ciclo profundo do carbono.