Como se forma a crosta continental da Terra? Uma nova teoria de baixo para cima
Os McMillan Spires no estado de Washington têm rochas metamórficas conhecidas como granulitos que se equilibraram em condições de pressão e temperatura típicas da crosta inferior continental. Foto: John Scurlock/Jagged Ridge Imaging
Deepeep sob as ilhas Aleutianas do Alasca, onde a pressão e as temperaturas se tornaram tão altas que as rochas começam a fluir, está a nascer uma nova crosta continental.
Os cientistas acreditam há muito que a crosta continental se forma em arcos vulcânicos – eles sabem que o magma criado nos vulcões dos arcos é geochemicamente muito semelhante à crosta continental. A questão persistente tem sido como é que isso acontece exactamente. Enquanto o magma que atinge a superfície é semelhante à crosta continental, a crosta inferior por baixo dos arcos vulcânicos é bastante diferente da metade inferior da crosta continental.
Um novo estudo que surge esta semana na Nature Geoscience levanta questões sobre uma teoria popular e fornece novo suporte para outra, na qual lava de arco da superfície e “plutões” rasos -magma que solidificou sem entrar em erupção – são puxados para baixo na Terra em zonas de subducção e depois sobem para se acumularem no fundo da crosta do arco como vapor no tecto de uma cozinha. Os cientistas encontraram provas convincentes que sugerem que isto poderia ter produzido a grande maioria da crosta continental inferior através da história da Terra.
Relaminação de sedimento subduzido.
O processo, chamado relaminação, começa na borda de uma placa continental, onde uma placa oceânica mergulha sob a placa continental e o magma sobe para formar um arco vulcânico. À medida que a placa oceânica mergulha, arrasta sedimentos, lava e rocha plutónica para baixo da borda do arco. À medida que o material do arco desce, os minerais dentro dele tornam-se instáveis com a pressão e calor crescentes, e sofrem alterações químicas. Novos minerais formam-se, e os pedaços de rocha e sedimento podem romper-se. Quando esses bocados são mais densos do que a rocha manta que os rodeia, continuam a afundar-se. Mas quando são menos densos, tais como os que formam granulitos ricos em sílica, tornam-se flutuantes e flutuam para cima até atingirem o fundo da crosta do arco e aí se acumularem.
“Os sedimentos estão realmente bem representados na crosta inferior continental, mas como é que chegaram ao fundo do continente? A maneira mais fácil é que esse sedimento seja empurrado para baixo numa zona de subducção e suba para se acumular na base da crosta”, disse Peter Kelemen, geochemista do Observatório da Terra Lamont-Doherty da Universidade de Columbia e autor do artigo com Mark Behn do Instituto Oceanográfico Woods Hole.
Amostrar a crosta terrestre
Para determinar como a crosta do arco poderia transformar-se em crosta continental, Kelemen e Behn examinaram os dois únicos locais conhecidos onde uma secção completa da crosta inferior do arco é visível em terra. Um local, no Paquistão, tinha sido apanhado na antiga colisão de placas tectónicas entre a Índia e a Ásia, e foi empurrado para cima de montanhas íngremes. O outro, o arco de Talkeetna que se estende desde a Península do Alasca até Valdez, foi empurrado para cima na extremidade da América do Norte.
“Normalmente não conseguimos ver os fundos da crosta inferior do arco, mas no Alasca e no Paquistão podemos ver até ao fundo. Estes velhos arcos formaram-se, colidiram com a América do Norte, viraram-se de lado, e foram erodidos ao longo de milhões de anos. Porque estão inclinados, podemos descer do fundo do mar, passando pela base da crosta até ao manto”, disse Kelemen.
Ao longo do comprimento destas áreas de crosta de arco exposto, os cientistas recolheram amostras para ver como a composição geoquímica da rocha mudou com o aumento da profundidade da crosta. Foram capazes de extrair minerais que tinham registado a pressão e a temperatura no ponto em que os minerais cristalizaram profundamente no subsolo, marcando a profundidade da rocha em cada ponto.
Os cientistas encontraram alterações significativas na composição da crosta cerca de metade do comprimento da crosta do arco.
Na metade inferior da crosta do arco, começando cerca de 20 quilómetros abaixo da superfície original, a concentração média de elementos vestigiais “incompatíveis” – elementos como tântalo e potássio que preferem permanecer em fusão durante a cristalização – foi muito inferior à da crosta continental inferior à mesma profundidade. Foram apenas os 20 quilómetros superiores da crosta de arco que tiveram composições semelhantes às da crosta continental inferior.
Isso torna-se um problema para uma teoria principal de como se forma a crosta continental, disse Kelemen. Essa teoria sugere que a crosta de arco delaminates – pedaços densos de rocha dentro da crosta de arco – se move lentamente para baixo e “funda” o manto até a crosta de arco atingir a composição da crosta continental. Os novos dados sugerem que para a delaminação funcionar, seria necessário remover grande parte da rocha de uma espessura de 20 quilómetros de crosta. Contudo, a delaminação só funciona abaixo de 35 a 40 km de profundidade.
“Assim, mesmo depois de removermos um pouco de material denso do fundo, ainda se vai acabar com uma crosta mais baixa nos arcos que parece realmente diferente da crosta mais baixa nos continentes. O processo não é suficiente para tirar a crosta inferior continental da crosta do arco”, disse Kelemen. A delaminação tem lugar, mas para ser a força motriz exigiria um processo complexo de espessamento repetido da crosta e eventos metamórficos, disse ele.
Kelemen e Behn sugerem um processo mais simples.
The Aleutian Islands Test
Os autores põem o seu modelo à prova nas ilhas Aleutianas. Nesse arco vulcânico, a lava e os plutões são semelhantes à crosta continental, mas a crosta inferior está altamente empobrecida em elementos que são abundantes na crosta continental inferior. Para determinar o potencial de relaminação para produzir a crosta continental inferior, os cientistas calcularam a densidade da lava e plutões expostos a pressões e temperaturas da zona de subducção.
Sobre 44 por cento das lavas Aleutas e 78 por cento dos plutões seriam mais flutuantes do que o manto peridotita em condições de zona de subducção, encontraram. Isto sugere que se partes do arco aleutiano fossem puxadas para baixo na zona de subducção, a uma profundidade de 90 a 120 km, onde as temperaturas excedessem os 700°C, as lavas e plutões de arco subiriam para se acumularem ao longo do fundo da crosta. A composição deste material acumulado pareceria a crosta continental inferior.
Intrigidos por essa descoberta, os cientistas efectuaram os mesmos cálculos para outros arcos. Descobriram que no local de Talkeetna no Alasca, 48% das lavas e 37% dos plutões seriam flutuantes. No Kohistan, o local no Paquistão, 36% das lavas e 29% dos plutões seriam flutuantes.
Relaminação pode ser evidente no xisto Pelona do sul da Califórnia, onde secções da crosta continental inferior são visíveis, disse Kelemen. Pedras argilosas e manchas de peridotites rodeadas de materiais mais flutuantes podem ser encontradas na crosta exposta, “subplatada”.
“Podemos ver sedimentos jovens, vulcânicos que foram recheados sob a crosta continental mais antiga e que fazem agora parte do pacote global. Como é que eles foram lá parar? Aconteceu no Sul da Califórnia, e eu diria que provavelmente acontece em muitos lugares”, disse Kelemen.
Saiba mais sobre o trabalho em curso no Lamont-Doherty Earth Observatory.