Estrutura da Terra
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O sistema químico dinâmico da Terra
Prof. Ian McReath
A Terra sólida que fica ao nosso alcance – as rochas superficiais e os solos delas derivadas por desgaste físico e químico – é constituída por minerais, ou seja, compostos químicos inorgânicos. Os elementos destes compostos já se achavam presentes à época da formação da Terra, há cerca de 4,5 bilhões de anos atrás. A composição do interior terrestre possivelmente é similar na sua parte mais externa (a crosta e o manto; Figura 1) a algumas das rochas presentes na superfície, embora os minerais alí presentes sejam diferentes. Uma parte da contribuição da Química às Ciências Geologicas está na compreensão da estabilidade dos minerais, e das reações que podem ocorrer entre eles e seu meio.
A Terra-laboratório
Imagine um edifício com vários laboratórios. No piso térreo, são realizadas experiências sob condições de pressão e temperatura compatíveis com aquelas da superfície terrestre. Investigam-se aqui os efeitos da atmosfera oxidante, da água da chuva (geralmente, levemente ácida) e dos organismos sobre os minerais e rochas que se encontram expostos na superfície da terra. São enfocados diferentes aspectos em cada caso, em reposta às seguintes questões: qual o destino dos elementos químicos, usados como nutrientes pelas plantas, durante a decomposição das rochas e dois minerais?; ou ainda, os elementos químicos que poluem o meio-ambiente em conseqüência da atividade industrial descontrolada são fixados em quais produtos
formados na superfície?; Em que ponto do espaço e do tempo estes compostos superficiais se formam? No primeiro subsolo, em equipamentos diferentes, porém igualmente especiais, pesquisa-se o comportamento de óxidos de magnésio, alumínio, cálcio, sílico, ferro e outros elementos químicos sob temperaturas de até pouco menor que 2.000°C, e pressões de até umas centenas de milhares de vezes superior à pressão atmosférica, que é de 1 kg.cm-2, aproximadamente. Pesquisa-se, também, o comportamento de silicatos de magnésio, alumínio, cálcio e ferro. Novamente, busca-se saber quais os minerais estáveis sob cada condição de pressão e temperatura, quando teve início o processo de fusão das misturas de minerais investigadas. Finalmente, no segundo subsolo, as experiências são realizadas em equipamentos, sob condições de temperatura de milhares de graus centígrados e de pressão da ordem de milhões de vezes superior à da pressão atmosférica. Estuda-se aqui o comportamento de ligas metálicas, de ferro e níquel, na presença de pequenas quantidades de enxofre, oxigênio, e outros elementos químicos. Verifica-se, também, as condições de início de fusão das misturas, e a natureza dos compostos químicos produzidos em cada experiência. Em suma, neste edifício, os cientistas tentam simular os diferentes sistemas químicos que compõem a Terra, de acordo com sua estruturação em uma fina crosta superficial, um manto espesso e núcleo (Fig. 1). No piso
térreo, simulam-se as reações movidas predominantemente pela energia solar. No primeiro subsolo, as experiências objetivam estudar o manto e a crosta terrestre. No segundo subsolo, estudam-se os fenômenos que podem estar acontecendo na camada menos acessível do planeta, o núcleo. Nestas duas últimas camadas, a energia que movimenta os processos é fundamentalmente o calor interno do planeta. Como surgiu a estrutura interna da Terra Considera-se que o planeta Terra tenha se formado no interior de uma nebulosa solar quente (composta por gases e sólidos na forma de poeira) a partir de componentes químicos mais refratários, que se condensaram em temperaturas muito altas. Assim, os elementos químicos mais abundantes do planeta são bastante restritos, a saber: ferro (que pode existir como metal, como óxido, ou silicato, ou sulfeto), oxigênio (geralmente, combinado com outros elementos, especialmente com o sílicio), silício, magnésio (geralmente como óxido ou silicato), níquel (como liga junto ao ferro, silicato junto ao magnésio, ou sulfeto junto ao ferro), enxofre (nos sulfetos), cálcio (como óxido ou silicato) e alumínio (como óxido ou silicato). Estes oito elementos, juntos, compõem cerca de 90% da massa do nosso planeta. Durante o processo de formação da Terra, os condensados e as partículas de poeira colidem e unem-se, umas às outras. As massas dos aglomerados e as velocidades das colisões crescem rapidamente. Em contrapartida, o número de corpos presentes decresce. Surgem primeiro grande número de corpos planetesimais, muito menores que a Lua. Depois de múltiplas colisões, surgem os protoplanetas, com dimensões parecidas com a da Lua. A energia das colisões leva ao aquecimento dos corpos, e isto promoveu a fusão, pelo menos parcial, dos componentes de menor ponto de fusão: o ferro metálico e sulfetos de ferro e níquel líquidos, os quais, por serem mais densos, acumulam-se no centro do planeta, enquanto os outros materiais mais leves concentramse ao redor deste núcleo, no manto espesso, e na crosta. Esta separação chama-se de diferenciação primária. Para onde foram os elementos químicos durante a diferenciação primária? E o que aconteceu depois?
Com a estrutura precoce do planeta formou-se o núcleo metálico e o manto e a crosta silicáticos. O ferro participa de todas as “camadas”, enquanto magnésio, silício e oxigênio (por exemplo) participam essencialmente do manto e da crosta. Elementos de grande interesse econômico, como o níquel, ouro e elementos do grupo de platina, apresentam grande afinidade química com ligas de ferro ou os sulfetos. Tais elementos podem ter sido concentrados no núcleo no momento da diferenciação primária, e desse modo são escassos nas outras camadas. De outra parte, elementos alcalinos, tais como o sódio e potássio, concentram-se em minerais silicáticos de maior facilidade de fusão, e tendem a concentrar-se na crosta terrestre. Após a diferenciação primária, o material do manto e da crosta sofre reciclagem e reprocessamento em decorrência da convecção que, durante o resfriamento, promove a transferência de calor do interior da Terra para a superfície. As transferências de calor são acompanhadas pelo transporte de material em direção à superfície. Em profundidades moderadas no interior da Terra, ocorrem processos de fusão parcial. Alguns elementos (tais como magnésio e níquel) tendem a ficar na parte refratária, não fundida, enquanto outros elementos tendem a se concentrar no fundido (a exemplo dos elementos alcalinos, como sódio e potássio). Os líquidos produzidos (ou seja, os magmas) migram e consolidam-se como componentes da crosta terrestre. Como compensação do processo de ascensão do material quente e menos denso, ocorre descida de material mais frio e mais denso que retorna ao interior da Terra parte dos componentes materiais da crosta e do manto superior raso. Os movimentos tridimensionais de ascensão e descida de matéria rochosa podem abranger toda a extensão do manto, como deve ocorrer, por exemplo, embaixo da ilhas Havaí no meio do Oceano Pacífico, ou podem envolver apenas a parte do manto raso, como deve acontecer embaixo do Oceano Atlântico. Os movimentos de fluxo térmico e materiais verticais são acompanhados por movimentos laterais que movimentam as placas litosféricas, que constituem os diversos segmentos da crosta da Terra (Fig. 2). Esta diferenciação secundária começou logo após a diferenciação primária da Terra, e continua até hoje.
Assim, tanto o manto quanto a crosta terrestre representam sistemas químicos dinâmicos. Por enquanto, não se se o núcleo pode representar um sistema fechado, que não interage quimicamente com as outras camadas do planeta, ou se existe troca de componentes químicos com o manto, acompanhando a evolução dinâmica da Terra.
Os tipos de rochas
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As rochas são agregados minerais formados “naturalmente” com diferentes densidades e texturas, sendo divididas em três grandes grupos:
• as magmáticas ou ígneas, que resultam da solidificação do magma. São, portanto, consideradas roantes de chegarem à superfície: são as rochas magmáticas intrusivas (como o granito e o diabásio).Quando grande resissustentá-culo de formas de relevo. Encontramos essas rochas quase todo o estado do RS, no planalto, na serra e no escudo sul rio grandense. As rochas magmáticas que se solidificam no exterior superfície (como o basalto), apresentam resfriamento relativamente rápido.Como o derramamento de magma é intermitente, vão se formando camadas de estratificação( em diversos estratos). Essas rochas vulcânicas apresentam menor resistência aos desgastes erosivos. No Brasil, principalmente na porção centro-sul do território, a decomposição formou o solo mais fértil do país, a terra roxa.
• as rochas sedimentares são consideradas secundárias por se originarem de outras rochas, por isso ocorrem em extensas áreas da superfície terrestre. São geradas por detritos inorgânicos e orgânicos de idades geológicas diferentes. A decomposição desses detritos formam bacias sedimentares, que apresentam em suas bordas camadas inclinadas horizontalmente, como as cuestas e os morros com topos planos e vertentes escarpadas.
• as rochas metamórficas representam o processo de transformações físicas e químicas de outras rochas, tanto sedimentares como magmáticas. As alterações decorrem das elevadas pressões e temperaturas da litosfera. Nas aglomerações de rochas metamórficas de baixa resistência, ocorrem as falhas e fraturas geológicas. Nesses locais,os vales, morros e serras ficam alinhados nas direções impostas pela acomodação das rochas.
O Ciclo das Rochas
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O ciclo das rochas é o resultado das interações de dois dentre os três sistemas fundamentais da Terra: o sistema da tectônica de placas e o sistema do clima. Controlados pelas interações desses dois sistemas, materiais e energia são trocados entre o interior da Terra, a superfície terrestre, os oceanos e a atmosfera. Por exemplo, a fusão de placas litosféricas em subducção e a formação de magma resultam de processos operantes dentro do sistema da tectônica de placas. Quando essas rochas fundidas extravasam, matéria e energia são transferidas para a superfície terrestre onde o material (as rochas recém-formadas) é submetido ao intemperismo pelo sistema do clima. O mesmo processo injeta cinza vulcânica e o gás dióxido de carbono nas porções superiores da atmosfera, onde eles podem afetar todo o clima do planeta. À medida que muda o clima global, talvez ficando mais quente ou mais frio, também muda a taxa de intemperismo da rocha, o que, por sua vez, influencia a taxa com que o material (sedimento) retorna para o interior da Terra.
A idéia da Terra como um sistema ainda não havia sido proposta quando o escocês James Hutton descreveu o ciclo das rochas em uma apresentação oral em 1785, na Sociedade Real de Edimburgo. Dez anos depois, ele apresentou o ciclo em maior detalhe em seu livro Teoria da Terra, com provas e ilustrações.
Como geralmente acontece na história da ciência, outros cientistas tanto da Inglaterra como do continente europeu também reconheceram os elementos da natureza cíclica da mudança geológica. O papel de Hutton foi o de sintetizar isso: ele apresentou o grande cenário que nos possibilitou entender o processo.
Daremos atenção aqui a um ciclo em particular, reconhecendo que esses ciclos variam com o tempo e com o lugar.
Começaremos com um magma na profundeza da Terra, onde as temperaturas e as pressões são altas o suficiente para fundir qualquer tipo de rocha: ígnea, metamórfica ou sedimentar (Ciclo das rochas I). Hutton chamou a fusão das rochas na profundeza da crosta de episódio plutônico, em referência a Plutão, o deus romano do mundo subterrâneo. Agora, referimos todas as intrusões ígneas como rochas plutônicas, enquanto as extrusivas são conhecidas como rochas vulcânicas. Quando uma rocha pré-existente se funde, todos os seus componentes minerais são destruídos e seus elementos químicos são homogeneizados, resultando em um líquido aquecido. À medida que o magma esfria, cristais de novos minerais crescem e formam novas rochas ígneas. A fusão e a formação de rochas ígneas ocorrem preferencialmente ao longo das bordas colisionais ou divergentes das placas tectônicas, bem como em plumas mantélicas.
O ciclo começa com a subducção ( lembre-se da formação da cordilheira dos andes) de uma placa oceânica em uma placa continental. As rochas ígneas que se formam nas bordas onde as placas colidem, juntamente com as rochas sedimentares e metamórficas associadas, são então soerguidas para formar uma cadeia de montanhas à medida que uma secção de crosta terrestre dobra-se e deforma-se. Os geólogos chamam esse processo, o qual inicia com a colisão de placas e finaliza com a formação de montanhas, de orogenia. Após o soerguimento, as rochas da crosta que recobrem as rochas ígneas soerguidas são vagarosamente meteorizadas. O intemperismo cria um material desagregado, que, então, a erosão espalha para longe, expondo a rocha ígnea à superfície.
As rochas ígneas assim expostas sofrem intemperismo e mudanças químicas ocorrem em alguns minerais. Os minerais de ferro, por exemplo, podem "enferrujar"( como na praia da ferrugem em Garopaba - SC) para formar óxidos. Os minerais de alta temperatura, como os feldspatos, podem tornar-se minerais argilosos de baixa temperatura. Os minerais, como o piroxênio, podem dissolver-se completamente à medida que as chuvas caem sobre eles. O intemperismo das rochas ígneas produz novamente vários tamanhos e tipos de detritos de rochas e material dissolvido, que são carregados pela erosão. Alguns desses materiais são transportados no terreno pela água e pelo vento. Muitos dos detritos são transportados pelos córregos para os rios e, por fim, para o oceano. No oceano, os detritos são depositados como camadas de areia, silte e outros sedimentos formados a partir de material dissolvido, tal como o carbonato de cálcio das conchas.
Os sedimentos depositados no mar, assim como aqueles depositados no continente pela água e pelo vento, são soterrados por sucessivas camadas de sedimentos, onde litificam( lembre-se do que ocorre com o concreto) vagarosamente para formar as rochas sedimentares. O soterramento é acompanhado de subsidência - uma depressão ou afundamento da crosta terrestre. Enquanto a subsidência continua, camadas adicionais de sedimentos vão sendo acumuladas.
Em alguns casos - por exemplo, ao longo das margens ativas das placas tectônicas, a subducção força as rochas sedimentares a descerem progressivamente a maiores profundidades. À medida que a rocha sedimentar litificada é soterrada a profundidades maiores da crosta, fica mais quente. Quando a profundidade excede a l0 km e as temperaturas ficam maiores que 300°C, os minerais da rocha ainda sólida começam a se transformar em novos minerais, os quais são mais estáveis nas altas temperaturas e pressões das partes mais profundas da crosta. O processo que transforma as rochas sedimentares em rochas metamórficas é o metamorfismo. Com mais calor, as rochas podem fundir-se e formar um novo magma, a partir do qual as rochas ígneas irão cristalizar, recomeçando o ciclo.
Como visto anteriormente, essa série de processos é apenas uma variação entre muitas que podem ocorrer no ciclo das rochas. Qualquer rocha - metamórfica, sedimentar ou ígnea pode ser soerguida durante uma orogênese e meteorizada e erodida para formar novos sedimentos. Certos estágios podem ser omitidos, por exemplo: quando uma rocha sedimentar é soerguida e paulatinamente erodida, o metamorfismo e a fusão não acontecem. Os estágios podem, também, estar fora de seqüência, como no caso de uma rocha ígnea formada no interior que é metamorfizada depois de ser soerguida. Também, como sabemos das sondagens profundas, certas rochas ígneas, localizadas a muitos quilômetros de profundidade na crosta, podem nunca ser soerguidas ou expostas ao intemperismo e à erosão.
O ciclo das rochas nunca tem fim. Está sempre operando em diferentes estágios em várias partes do mundo, formando e erodindo montanhas em um lugar e depositando e soterrando sedimentos em outro. As rochas que compõem a Terra sólida são recicladas continuamente, mas só podemos ver as partes do ciclo que ocorrem na superfície e, portanto, devemos deduzir a reciclagem da crosta profunda e do manto por evidências indiretas.
Um processo que os geólogos não percebiam no tempo de Hutton é o intemperismo do fundo oceânico ou o metassomatismo, o qual foi reconhecido apenas após a descoberta da tectônica de placas. Os processos envolvem mudanças químicas entre a água do mar e o fundo submarino nas cadeias mesoceânicas. Esse processo suplementa de forma significativa o retorno de elementos importantes para o interior da Terra, que é causado pelo intemperismo comum de superfície. Se o metassomatismo do fundo submarino não ocorresse, as composições químicas do oceano e da atmosfera seriam bem diferentes.
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