Geólogos descobrem a primeira evidência direta da "proto-Terra"

Materiais de rochas antigas podem revelar condições no início do sistema solar que moldaram a Terra primitiva e outros planetas.

Ilustração que mostra uma proto-Terra rochosa a "borbulhar" com lava. Crédito: MIT; iStock 

Cientistas do MIT e de outros locais descobriram vestígios extremamente raros da "proto-Terra", que se formou há cerca de 4,5 bilhões de anos, antes de uma colisão colossal alterar irreversivelmente a composição do planeta primitivo e produzir a Terra como a conhecemos hoje. Suas descobertas, publicadas hoje na revista Nature Geosciences , ajudarão os cientistas a juntar as peças dos ingredientes primordiais que forjaram a Terra primitiva e o restante do sistema solar.

Bilhões de anos atrás, o sistema solar primitivo era um disco giratório de gás e poeira que eventualmente se aglomerava e acumulava para formar os primeiros meteoritos, que por sua vez se fundiram para formar a proto-Terra e seus planetas vizinhos.

Nesta fase inicial, a Terra era provavelmente rochosa e borbulhava de lava. Então, menos de 100 milhões de anos depois, um meteorito do tamanho de Marte atingiu o planeta em desenvolvimento em um evento singular de "impacto gigante" que desintegrou e derreteu completamente o interior do planeta, efetivamente redefinindo sua química. Acreditava-se que qualquer material original do qual a proto-Terra fosse feita tivesse sido completamente transformado.

Mas as descobertas da equipe do MIT sugerem o contrário. Os pesquisadores identificaram uma assinatura química em rochas antigas que é única em relação à maioria dos outros materiais encontrados na Terra atualmente. A assinatura se apresenta na forma de um sutil desequilíbrio nos isótopos de potássio descobertos em amostras de rochas muito antigas e muito profundas. A equipe determinou que o desequilíbrio de potássio não poderia ter sido produzido por grandes impactos ou processos geológicos anteriores que ocorrem atualmente na Terra.

A explicação mais provável para a composição química das amostras é que elas devem ser restos de material da proto-Terra que, de alguma forma, permaneceram inalterados, mesmo quando a maior parte do planeta primitivo foi impactada e transformada.

“Esta é talvez a primeira evidência direta de que preservamos os materiais prototerrestres”, diz Nicole Nie, Professora Assistente de Desenvolvimento de Carreira Paul M. Cook de Ciências da Terra e Planetárias no MIT. “Vemos um pedaço da Terra muito antiga, mesmo antes do impacto gigante. Isso é incrível, porque esperaríamos que essa assinatura tão antiga fosse lentamente apagada ao longo da evolução da Terra.”

Os outros autores do estudo incluem Da Wang, da Universidade de Tecnologia de Chengdu, na China, Steven Shirey e Richard Carlson, da Carnegie Institution for Science, em Washington, Bradley Peters, da ETH Zürich, na Suíça, e James Day, da Scripps Institution of Oceanography, na Califórnia.

Uma anomalia curiosa

Em 2023, Nie e seus colegas analisaram muitos dos principais meteoritos coletados em locais ao redor do mundo e cuidadosamente estudados. Antes de impactar a Terra, esses meteoritos provavelmente se formaram em diferentes épocas e locais do sistema solar e, portanto, representam as mudanças nas condições do sistema solar ao longo do tempo. Quando os pesquisadores compararam as composições químicas dessas amostras de meteoritos com as da Terra, identificaram entre elas uma "anomalia isotópica de potássio".

Isótopos são versões ligeiramente diferentes de um elemento que possuem o mesmo número de prótons, mas um número diferente de nêutrons. O elemento potássio pode existir em um dos três isótopos naturais, com números de massa (prótons mais nêutrons) de 39, 40 e 41, respectivamente. Onde quer que o potássio tenha sido encontrado na Terra, ele existe em uma combinação característica de isótopos, com o potássio-39 e o potássio-41 sendo predominantemente dominantes. O potássio-40 está presente, mas em uma porcentagem extremamente pequena em comparação.

Nie e seus colegas descobriram que os meteoritos que estudaram apresentavam equilíbrios de isótopos de potássio diferentes da maioria dos materiais da Terra. Essa anomalia de potássio sugeria que qualquer material que apresentasse uma anomalia semelhante provavelmente antecede a composição atual da Terra. Em outras palavras, qualquer desequilíbrio de potássio seria um forte sinal de material da proto-Terra, antes do impacto gigante redefinir a composição química do planeta.

“Nesse trabalho, descobrimos que diferentes meteoritos têm diferentes assinaturas isotópicas de potássio, e isso significa que o potássio pode ser usado como um traçador dos blocos de construção da Terra”, explica Nie.

“Construído diferente”

No estudo atual, a equipe procurou sinais de anomalias de potássio não em meteoritos, mas dentro da Terra. Suas amostras incluem rochas, em pó, da Groenlândia e do Canadá, onde algumas das rochas preservadas mais antigas são encontradas. Eles também analisaram depósitos de lava coletados no Havaí, onde vulcões trouxeram à tona alguns dos materiais mais antigos e profundos da Terra do manto (a camada rochosa mais espessa do planeta que separa a crosta do núcleo).

“Se essa assinatura de potássio for preservada, gostaríamos de procurá-la no tempo profundo e na Terra profunda”, diz Nie.

A equipe primeiro dissolveu as diversas amostras de pó em ácido, depois isolou cuidadosamente o potássio restante da amostra e usou um espectrômetro de massas especial para medir a proporção de cada um dos três isótopos de potássio. Notavelmente, eles identificaram nas amostras uma assinatura isotópica diferente daquela encontrada na maioria dos materiais na Terra.

Especificamente, eles identificaram um déficit no isótopo potássio-40. Na maioria dos materiais da Terra, esse isótopo já representa uma fração insignificante em comparação com os outros dois isótopos de potássio. Mas os pesquisadores conseguiram discernir que suas amostras continham uma porcentagem ainda menor de potássio-40. Detectar esse pequeno déficit é como encontrar um único grão de areia marrom em um balde, em vez de uma concha cheia de areia amarela.

A equipe descobriu que, de fato, as amostras apresentavam déficit de potássio-40, mostrando que os materiais “foram construídos de forma diferente”, diz Nie, em comparação com a maioria do que vemos na Terra hoje.

Mas poderiam as amostras ser remanescentes raros da proto-Terra? Para responder a essa pergunta, os pesquisadores presumiram que sim. Eles raciocinaram que, se a proto-Terra fosse originalmente feita de materiais com deficiência de potássio-40, a maior parte desse material teria sofrido alterações químicas — desde o impacto gigante e os subsequentes impactos menores de meteoritos — que, por fim, resultaram nos materiais com mais potássio-40 que vemos hoje.

A equipe utilizou dados composicionais de todos os meteoritos conhecidos e realizou simulações de como o déficit de potássio-40 das amostras mudaria após os impactos desses meteoritos e do impacto gigante. Eles também simularam processos geológicos que a Terra experimentou ao longo do tempo, como o aquecimento e a mistura do manto. No final, suas simulações produziram uma composição com uma fração ligeiramente maior de potássio-40 em comparação com as amostras do Canadá, Groenlândia e Havaí. Mais importante ainda, as composições simuladas correspondiam às da maioria dos materiais modernos.

O trabalho sugere que materiais com déficit de potássio-40 são provavelmente restos de material original da proto-Terra.

Curiosamente, a assinatura das amostras não corresponde exatamente à de nenhum outro meteorito nas coleções dos geólogos. Embora os meteoritos do trabalho anterior da equipe apresentassem anomalias de potássio, elas não correspondem exatamente ao déficit observado nas amostras da proto-Terra. Isso significa que quaisquer meteoritos e materiais que originalmente formaram a proto-Terra ainda não foram descobertos.

“Cientistas têm tentado entender a composição química original da Terra combinando as composições de diferentes grupos de meteoritos”, diz Nie. “Mas nosso estudo mostra que o inventário atual de meteoritos não está completo e que há muito mais a aprender sobre a origem do nosso planeta.”

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