Como água da superfície pode chegar ao manto inferior da Terra, segundo diamante de 3mm

Dentro de um diamante de apenas 3 milímetros de comprimento, em uma impureza microscópica, pesquisadores brasileiros descobriram a primeira evidência direta de um fenômeno surpreendente. O mineral goethita — responsável pela cor marrom dos solos — pode resistir a pressões e temperaturas extremas até chegar ao interior do planeta, transportando água da superfície até o manto inferior.

A descoberta reforça uma hipótese controversa na geociência: a água incorporada na estrutura cristalina da goethita consegue viajar até profundidades superiores a 900 quilômetros. Essa jornada acontece através do processo de subducção, quando placas oceânicas afundam sob continentes, carregando minerais formados no leito dos oceanos.

Por que a goethita é um veículo improvável para água profunda

A goethita se forma no solo e no leito dos oceanos a partir de minerais ricos em ferro, sempre na presença de água. Ela incorpora parte das moléculas de água em sua própria estrutura mineral, criando um oxi-hidróxido de ferro (FeOOH).

Até poucos anos atrás, havia consenso entre pesquisadores de que esse mineral não sobreviveria ao processo de subducção. Temperaturas acima de 200 graus Celsius transformariam rapidamente a goethita em hematita e água, liberando o líquido logo no início da jornada ao interior da Terra.

A região conhecida como manto inferior começa a 660 quilômetros de profundidade e se estende até 2.900 quilômetros abaixo da superfície. Estudos anteriores confirmaram que água da crosta terrestre pode chegar ao manto superior, mas não havia evidência direta de transporte até o manto inferior.

O diamante superprofundo de Juína que mudou o entendimento

Em julho de 2018, Gervasoni e Jalowitzki visitaram uma cooperativa de garimpeiros em Chapadão, município de Juína, Mato Grosso. Receberam uma doação de diamantes superprofundos — pedras formadas a profundidades superiores a 300 quilômetros, enquanto a maioria dos diamantes se origina a cerca de 150 quilômetros abaixo da superfície.

Esses diamantes têm pouco valor comercial por causa da aparência irregular e de pequenos fragmentos escuros aprisionados durante a formação, chamados inclusões minerais. Para geólogos, essas inclusões são mais valiosas que o próprio diamante, porque funcionam como cápsulas do tempo, preservando evidências das condições do interior da Terra onde se formaram há centenas de milhões de anos.

Uma das pedras escolhida ao acaso esteve entre os primeiros materiais analisados nas linhas de luz Mogno e Carnaúba do acelerador de partículas Sirius, em Campinas, ainda durante a fase de comissionamento dos novos equipamentos.

Como a análise com luz síncrotron revelou a descoberta

A pesquisa é a primeira no mundo a analisar um diamante superprofundo usando técnicas de luz síncrotron do começo ao fim. A luz síncrotron é uma radiação eletromagnética extremamente brilhante, emitida por elétrons que viajam ao redor do acelerador de partículas a velocidades próximas à da luz.

Na linha Mogno, uma microtomografia de raios X de alta resolução mapeou cerca de cem inclusões minerais dentro do diamante. Em seguida, na linha Carnaúba, a espectroscopia de raios X determinou a composição química das inclusões.

Uma inclusão específica chamou a atenção da equipe por parecer conter um hidróxido de ferro, algo muito raro no manto profundo. Como a tomografia provou que a inclusão não tinha nenhuma conexão com o exterior, descartando contaminação por ar, a equipe decidiu investigar a fundo.

A técnica de difração de raios X na linha Ema identificou a presença simultânea de oxi-hidróxido de ferro goethita (FeOOH) e dos óxidos de ferro hematita (Fe2O3) e magnetita (Fe3O4). Embora sejam minerais abundantes no solo e no leito dos oceanos, a coexistência deles em uma inclusão microscópica é considerada impossível nas condições de temperatura e pressão da superfície do planeta.

A jornada da goethita através da subducção oceânica

A equipe propõe que a goethita pode sobreviver à subducção abrigada em fissuras profundas no interior de placas oceânicas relativamente frias, chegando a profundidades maiores que 400 quilômetros. A partir daí, ela começaria a se transformar em hematita e água ou em magnetita, oxigênio e água.

Esse processo de transformação poderia se estender até o manto inferior. Os resultados da difração do Sirius eram muito semelhantes aos obtidos por um experimento de compressão de onda de choque, realizado na Universidade de Sichuan, na China, em 2021, mostrando que a goethita pode resistir a pressões entre 35 e 57 gigapascal e temperaturas entre 877 e 1.827 graus Celsius.

Essas condições ocorrem no manto inferior, entre 900 e 1.250 quilômetros de profundidade. Uma equipe da Universidade de Bayreuth, na Alemanha, também em 2021, mostrou que a goethita resistiu a condições semelhantes em experimento de compressão por células de bigorna de diamante, capaz de simular de maneira mais fiel o ambiente do manto.

Como a liberação de água pode formar magma no manto profundo

A liberação de água abaixa o ponto de fusão das rochas do manto, podendo gerar pequenas quantidades de magma que tendem a subir lentamente à superfície. Segundo a geóloga Fernanda Gervasoni, há teorias propondo que as rochas vulcânicas que trazem os diamantes superprofundos à superfície podem se formar perto da zona de transição entre o manto superior e o inferior, em torno de 400 quilômetros de profundidade.

O diamante que encapsulou esses minerais pode ter sido criado a partir da cristalização do carbono presente em minerais do manto ou da própria placa oceânica. Em outra inclusão do mesmo diamante, a equipe identificou a presença de ferropericlásio ((Mg, Fe)O), mineral muito abundante no manto inferior, sendo mais uma indicação da profundidade em que esse diamante se formou.

O manto terrestre é relativamente pobre em carbono, sendo composto principalmente de minerais ricos em magnésio, ferro e silício. A maioria dos minerais do manto inferior possui pouca capacidade de armazenar água, tornando o transporte pela goethita um mecanismo especialmente relevante.

A descoberta de ringwoodita que confirmou água na zona de transição

Em 2014, uma equipe internacional publicou na revista Nature a descoberta, também em um diamante de Juína, de ringwoodita (Mg2SiO4), mineral abundante na zona de transição capaz de absorver água. O manto superior parece abrigar grandes quantidades de água vinda da superfície.

Já a maioria dos minerais do manto inferior possui pouca capacidade de armazenar água. A descoberta da goethita no diamante superprofundo preenche uma lacuna importante: ela explica como água pode ser transportada além da zona de transição, chegando ao manto inferior mesmo em minerais que não armazenam água facilmente.

Estudos anteriores feitos por outros pesquisadores confirmaram que a água da crosta terrestre — a camada de rochas mais externa da Terra, com 20 a 80 quilômetros de espessura nos continentes e 5 a 10 quilômetros nos oceanos — pode chegar à região de rochas mais densas logo abaixo dela, o chamado manto superior, até profundidades de no máximo 660 quilômetros.

O pioneirismo brasileiro na análise de diamantes superprofundos

Os diamantes superprofundos de Juína foram descobertos no fim dos anos 1980 e, desde então, têm sido fonte de várias descobertas científicas, até agora realizadas apenas por grupos liderados por pesquisadores estrangeiros. Segundo Fernanda Gervasoni, a pesquisa é a primeira feita totalmente por uma equipe brasileira e com instrumentos nacionais.

A pesquisa é resultado da dissertação de mestrado da geóloga Carolina Camarda, sob orientação do geólogo Tiago Jalowitzki, da Universidade de Brasília (UnB), e do físico Hélio Tolentino, do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS), com financiamento da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (Capes).

Carolina Camarda realizou o trabalho em colaboração com Fernanda Gervasoni, da Universidade Federal de Pelotas (UFPel), que faz estágio de pós-doutorado no LNLS com bolsa da FAPESP, orientada por Tolentino. Atualmente, Camarda faz doutorado no laboratório European XFEL, na Alemanha.

Além de Camarda, Gervasoni, Jalowitzki e Tolentino, participaram do trabalho mais 11 pesquisadores, vinculados ao Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM), à UnB e à Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS).

Com informações de Agência Fapesp