Mundo

Lendo entre os diamantes: os cientistas expandem a história do carbono profundo
Susannah Dorfman da Michigan State University e sua equipe estão descobrindo uma resposta com ferramentas de laboratório que imitam essas condições extremas.
Por Michigan State University - 24/03/2021


Essa partícula no meio desse diamante, chamada de inclusão, é um mineral carregado para a superfície das profundezas do manto terrestre. Essas marcas de nascença de um bilhão de anos significam a profundidade do nascimento do diamante - feito de carbonatos fortemente empilhados. Crédito: Giuliofranzinetti, Wikimedia Commons

As altas temperaturas e pressões do manto terrestre transformam minerais ricos em carbono, conhecidos como carbonatos, em diamantes. Mas menos se sabe sobre o destino dos carbonatos que viajam ainda mais fundo no subsolo - profundidades das quais nenhuma amostra jamais foi recuperada.

Agora, Susannah Dorfman da Michigan State University e sua equipe estão descobrindo uma resposta com ferramentas de laboratório que imitam essas condições extremas .

"O que nos interessava é: quando o carbono não é diamante?" acrescentou Dorfman. Em um artigo publicado recentemente na Nature Communications , cientistas do Laboratório de Mineralogia Experimental de Dorfman em MSU redefiniram as condições sob as quais os carbonatos podem existir no manto inferior da Terra , expandindo nossa compreensão do ciclo profundo do carbono e da evolução da Terra.

"A circulação de carbono e minerais da superfície da Terra por meio da subdução até a base do manto terrestre vem acontecendo há bilhões de anos", disse Dorfman, professor assistente do Departamento de Ciências da Terra e Ambientais, ou EES, no College of Natural Science e coautor do artigo. "Nosso laboratório pergunta: 'Como podemos usar experimentos para prever a aparência e segui-la quimicamente?'"

Durante a subducção, os carbonatos superficiais - pense em esqueletos de calcário e coral - pegam carona em placas frias de rocha mergulhando sob a crosta terrestre por meio do movimento tectônico alimentado pelo calor do manto. Alguns carbonatos derretem e são expelidos de volta à atmosfera pelos vulcões. Alguns viajam mais para baixo e são transformados em diamantes .

Mas alguns carbonatos o tornam ainda mais profundo, em direção à fronteira entre o manto e o núcleo do planeta, quase 1.800 milhas abaixo da superfície. A equipe de Dorfman estava interessada em saber seu destino. A pesquisa anterior da equipe mostrou que alguns carbonatos poderiam realmente escapar de serem derretidos ou transformados em diamantes em um ambiente quente e pobre em oxigênio como a fronteira núcleo-manto, mas ninguém sabia que forma eles assumiriam em uma rocha real até agora.

No estudo, Dorfman e o coautor Mingda Lv, um estudante de doutorado do quinto ano do EES, conduziram experimentos altamente complexos para sintetizar a rocha do manto e iluminar o destino daqueles carbonatos profundamente subduzidos pela primeira vez.

"Para este projeto, queríamos saber como o carbonato coexistiria com a maioria dos silicatos do manto quando subduzidos ao manto inferior", disse Lv. "Projetamos os experimentos para estender as condições de pressão e temperatura desses minerais a regimes elevados, simulando as condições no limite núcleo-manto da Terra."
 
Seus experimentos exigiram um dispositivo feito de material com a maior tolerância à pressão de qualquer substância na Terra - diamantes.

"A bigorna de diamante, embora seja algo que você pode segurar na mão, nos dá as pressões mais altas em qualquer laboratório sem o uso de explosões", disse Dorfman. "Tudo o que sabemos sobre o que acontece no centro dos planetas depende desse dispositivo."

Dorfman e Lv montaram discos finos de carbonato e silicato como um sanduíche entre os dois diamantes da bigorna de diamante. Em seguida, eles apertaram os discos juntos como um panini mineral e usaram lasers poderosos para aquecê-los a altas temperaturas de até 4.500 F.

O resultado foi algo que ninguém pensou ser possível, uma forma sintetizada de rocha de carbonato de cálcio altamente pressurizada que poderia existir em condições de manto inferior .

"Antes deste estudo, a ideia era que você nunca deveria ter carbonato de cálcio nas profundezas da terra, mas apenas em um ambiente raso onde não tenha chegado a grandes profundidades", disse Dorfman. "Nossos experimentos mostram que em direção à base do manto, a reação química muda de direção e troca minerais como parceiros na quadrilha - o magnésio e o cálcio trocam seus parceiros de carbonato e silicato produzindo carbonato de cálcio e carbonato de magnésio."

O tamanho da rocha recém-sintetizada era apenas da largura de um fio de cabelo humano, e os cristais individuais que compunham a rocha eram até 1.000 vezes menores. Para ler entre os diamantes, Dorfman e Lv precisavam da faca mais afiada e da luz mais brilhante que pudessem encontrar.

Eles usaram a tecnologia de acelerador de partículas extremamente poderosa do Argonne National Lab, em Illinois, para focar a luz de raios-X em um ponto minúsculo e iluminar o que haviam criado. Então, com a ajuda de colaboradores do Instituto de Física da Terra de Paris e do Centro de Caracterização de Materiais da Universidade de Michigan, eles usaram feixes de íons para fatiar a nova rocha em seções transversais.

Finalmente, usando as técnicas de microscopia eletrônica de ponta no Centro de Microscopia Avançada da MSU, eles caracterizaram com sucesso a distribuição elementar de suas amostras recuperadas.

"Sem esses laboratórios, nunca teríamos sido capazes de observar diretamente o que está acontecendo em nossos experimentos", disse Lv. "Nossa colaboração com essas instalações é um destaque do estudo."

"Sabemos que a grande maioria do carbono da Terra não está na atmosfera, está no interior, mas nossa estimativa de quanto e onde depende principalmente de medições de reações químicas", acrescentou Dorfman. "O trabalho de Mingda Lv mostra que o carbonato de cálcio pode ser estável nas condições do manto e fornece um novo mecanismo a ter em conta quando fazemos modelos do ciclo do carbono no interior da terra."

 

.
.

Leia mais a seguir