Descoberta da Terra Profunda: Fragmentos de Planeta Antigo Encontrados no Manto

Os cientistas descobriram que o manto profundo da Terra pode conter pedaços do antigo planeta Theia, oferecendo novos insights sobre a origem da Lua e os anos de formação da Terra.

Uma equipa de investigação interdisciplinar internacional descobriu recentemente que uma enorme anomalia nas profundezas do interior da Terra pode ser um remanescente da colisão que ocorreu há cerca de 4,5 mil milhões de anos e que formou a Lua.

Esta investigação oferece novos conhecimentos importantes não só sobre a estrutura interna da Terra, mas também sobre a sua evolução a longo prazo e a formação do sistema solar interior.

O estudo, que se baseou em métodos computacionais de dinâmica de fluidos pioneiros do Prof. Hongping Deng do Observatório Astronômico de Xangai (SHAO) da Academia Chinesa de Ciências, foi publicado como capa na revista Natureza em 2 de novembro.

O enigma da formação da Lua

A formação da Lua tem sido um enigma persistente para várias gerações de cientistas. A teoria prevalecente sugere que, durante as fases finais do crescimento da Terra, há aproximadamente 4,5 mil milhões de anos, ocorreu uma colisão massiva – conhecida como “impacto gigante” – entre a Terra primordial (Gaia) e uma Marteprotoplaneta de tamanho grande conhecido como Theia. Acredita-se que a Lua tenha se formado a partir dos destroços gerados por esta colisão.

Simulações numéricas indicaram que a Lua provavelmente herdou material principalmente de Theia, enquanto Gaia, devido à sua massa muito maior, foi apenas ligeiramente contaminada por material de Theia.

Simulação MFM do impacto canônico do gigante formador da Lua. Aqui diferentes cores traçam diferentes componentes de Gaia e Theia. O manto inferior de Gaia, indicado pelo círculo tracejado com um raio de 0,8 raio terrestre (RE), está apenas marginalmente contaminado pelo manto Theian. Crédito: Rongxi Bi e Hongping Deng

Como Gaia e Theia eram formações relativamente independentes e compostas de materiais diferentes, a teoria sugeria que a Lua — sendo dominada por material de Theia — e a Terra — sendo dominada por material de Gaia — deveriam ter composições distintas. No entanto, medições isotópicas de alta precisão revelaram mais tarde que as composições da Terra e da Lua são notavelmente semelhantes, desafiando assim a teoria convencional da formação da Lua.

Embora vários modelos refinados do impacto gigante tenham sido posteriormente propostos, todos eles enfrentaram desafios.

Desvendando os mistérios do manto da Terra

Para refinar ainda mais a teoria da formação lunar, o Prof. Deng começou a conduzir pesquisas sobre a formação da Lua em 2017. Ele se concentrou no desenvolvimento de um novo método computacional de dinâmica de fluidos chamado Meshless Finite Mass (MFM), que se destaca na modelagem precisa de turbulência e mistura de materiais. .

Usando esta nova abordagem e conduzindo inúmeras simulações do impacto gigante, o Prof. Deng descobriu que a Terra primitiva exibia estratificação do manto após o impacto, com o manto superior e inferior tendo diferentes composições e estados. Especificamente, o manto superior apresentava um oceano de magma, criado através de uma mistura completa de material de Gaia e Theia, enquanto o manto inferior permaneceu em grande parte sólido e manteve a composição material de Gaia.

“Pesquisas anteriores colocaram ênfase excessiva na estrutura do disco de detritos (o precursor da Lua) e ignoraram o impacto da colisão gigante na Terra primitiva”, disse Deng.

Os LLVPs e o legado de Theia

Após discussões com geofísicos do Instituto Federal Suíço de Tecnologia em Zurique, o Prof. Deng e colaboradores perceberam que esta estratificação do manto pode ter persistido até os dias atuais, correspondendo aos refletores sísmicos globais no manto médio (localizados cerca de 1000 km abaixo do manto). Superfície da Terra). Especificamente, todo o manto inferior da Terra ainda pode ser dominado por material Gaiano pré-impacto, que tem uma composição elementar diferente (incluindo maior teor de silício) do manto superior, de acordo com o estudo anterior do Prof.

“Nossas descobertas desafiam a noção tradicional de que o impacto gigante levou à homogeneização da Terra primitiva”, disse o Prof. “Em vez disso, o impacto gigante que formou a Lua parece ser a origem da heterogeneidade do manto inicial e marca o ponto de partida para a evolução geológica da Terra ao longo de 4,5 mil milhões de anos.”

Outro exemplo da heterogeneidade do manto terrestre são duas regiões anômalas – chamadas Grandes Províncias de Baixa Velocidade (LLVPs) – que se estendem por milhares de quilômetros na base do manto. Um está localizado abaixo da placa tectônica africana e o outro sob a placa tectônica do Pacífico. Quando as ondas sísmicas passam por essas áreas, a velocidade das ondas é significativamente reduzida.

Os LLVPs têm implicações significativas para a evolução do manto, a separação e agregação de supercontinentes e as estruturas das placas tectônicas da Terra. No entanto, suas origens permaneceram um mistério.

Qian Yuan, do Instituto de Tecnologia da Califórnia, juntamente com colaboradores, propôs que os LLVPs poderiam ter evoluído a partir de uma pequena quantidade de material Theian que entrou no manto inferior de Gaia. Posteriormente, eles convidaram o Prof. Deng para explorar a distribuição e o estado do material Theian nas profundezas da Terra após o impacto gigante.

Através de análises aprofundadas de simulações anteriores de impacto gigante e da realização de novas simulações de maior precisão, a equipa de investigação descobriu que uma quantidade significativa de material do manto Theian, aproximadamente dois por cento da massa da Terra, entrou no manto inferior de Gaia.

O professor Deng então convidou o astrofísico computacional Dr. Jacob Kegerreis para confirmar esta conclusão usando métodos tradicionais de hidrodinâmica de partículas suavizadas (SPH).

A equipa de investigação também calculou que este material do manto de Theian, semelhante às rochas lunares, é enriquecido com ferro, tornando-o mais denso do que o material de Gaia circundante. Como resultado, afundou rapidamente no fundo do manto e, ao longo da convecção do manto a longo prazo, formou duas regiões LLVP proeminentes. Estes LLVPs permaneceram estáveis ​​ao longo de 4,5 mil milhões de anos de evolução geológica (ver imagem no topo do artigo).

Expressões superficiais da heterogeneidade antiga

A heterogeneidade no manto profundo, seja nos refletores intermediários do manto ou nos LLVPs na base, sugere que o interior da Terra está longe de ser um sistema uniforme e “chato”. Na verdade, pequenas quantidades de heterogeneidade profunda podem ser trazidas à superfície pelas plumas do manto – correntes térmicas ascendentes cilíndricas causadas pela convecção do manto – como as que provavelmente formaram o Havai e a Islândia.

Por exemplo, geoquímicos que estudam razões isotópicas de gases raros em amostras de basalto islandês descobriram que estas amostras contêm componentes diferentes dos materiais de superfície típicos. Estes componentes são remanescentes da heterogeneidade no manto profundo que remonta a mais de 4,5 mil milhões de anos e servem como chaves para a compreensão do estado inicial da Terra e até mesmo da formação de planetas próximos.

Prevendo uma aplicação universal

Yuan, “Através da análise precisa de uma gama mais ampla de amostras de rochas, combinada com modelos de impacto gigante mais refinados e modelos de evolução da Terra, podemos inferir a composição do material e a dinâmica orbital da Terra primordial, Gaia e Theia. Isto permite-nos restringir toda a história da formação do sistema solar interior.”

O professor Deng vê um papel ainda mais amplo para o estudo atual: “Esta pesquisa ainda fornece inspiração para a compreensão da formação e habitabilidade de exoplanetas além do nosso sistema solar”.

Para obter mais informações sobre esta pesquisa, consulte Estranhas bolhas no manto profundo da Terra são os restos de um planeta antigo.