Cientistas detectam estruturas anômalas perto do núcleo da Terra

Estudos sobre ecos na fronteira núcleo-manto causados por ondas sísmicas revelaram uma surpreendente disseminação de estruturas heterogêneas, cuja composição ainda é um mistério

Terremotos enviam ondas sonoras pela Terra. Os sismogramas registram os ecos à medida que essas ondas viajam ao longo da fronteira do núcleo com o manto, difratando e curvando-se em torno de estruturas rochosas densas. Novas pesquisas da Universidade de Maryland fornecem a primeira visão ampla dessas estruturas, revelando que elas são muito mais difundidas do que se sabia anteriormente. Crédito: Doyeon Kim/Universidade de Maryland

Geofísicos da Universidade de Maryland (EUA) analisaram milhares de gravações de ondas sísmicas (ondas sonoras que viajam pela Terra) para identificar ecos da fronteira entre o núcleo derretido da Terra e a camada sólida do manto acima dele. Os ecos revelaram uma disseminação maior de estruturas heterogêneas – áreas de rocha excepcionalmente quente e densa – no limite entre o manto e o núcleo do que se sabia anteriormente.

Os cientistas não têm certeza da composição dessas estruturas, e estudos anteriores forneceram apenas uma visão limitada delas. Uma melhor compreensão de sua forma e extensão pode ajudar a revelar os processos geológicos que estão acontecendo no fundo da Terra. Esse conhecimento pode fornecer pistas para o funcionamento das placas tectônicas e a evolução do nosso planeta.

A nova pesquisa fornece a primeira visão abrangente dos limites núcleo-manto em uma ampla área com uma resolução tão detalhada. Ela foi publicada na revista “Science”.

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Os pesquisadores se concentraram nos ecos das ondas sísmicas que viajam sob a bacia do Oceano Pacífico. Sua análise revelou uma estrutura anteriormente desconhecida sob as vulcânicas Ilhas Marquesas, no Pacífico Sul, e mostrou que a estrutura abaixo do arquipélago do Havaí é muito maior do que se sabia anteriormente.

Visão estreita

“Observando milhares de ecos da fronteira do manto de uma só vez, em vez de focar alguns de cada vez, como geralmente é feito, obtivemos uma perspectiva totalmente nova”, disse Doyeon Kim, pesquisador de pós-doutorado no Departamento de Geologia da Universidade de Maryland (UMD) e principal autor do artigo. “Isso está nos mostrando que a região de fronteira do núcleo com o manto tem muitas estruturas que podem produzir esses ecos, e isso era algo que não havíamos percebido antes porque só tínhamos uma visão estreita.”

A imagem acima mostra como áreas de rochas quentes e densas chamadas zonas de velocidade ultrabaixa (ULVZs) no interior da Terra dobram e difratam as ondas sonoras produzidas pelos terremotos. Em uma nova análise das ondas difratadas registradas pelos sismogramas, os geólogos da Universidade de Maryland revelaram uma nova ULVZ sob as Ilhas Marquesas e um ULVZ sob o Havaí maior do que se conhecia anteriormente. Crédito: Doyeon Kim/Universidade de Maryland

Terremotos geram ondas sísmicas abaixo da superfície da Terra que viajam milhares de quilômetros. Quando as ondas encontram mudanças na densidade, temperatura ou composição das rochas, elas mudam de velocidade, curvatura ou dispersão, produzindo ecos que podem ser detectados. Os ecos das estruturas próximas chegam mais rapidamente, enquanto os das estruturas maiores têm sons mais altos. Medindo o tempo de viagem e a amplitude desses ecos à medida que eles chegam aos sismômetros em diferentes locais, os cientistas podem desenvolver modelos das propriedades físicas das rochas ocultas abaixo da superfície. Esse processo é semelhante ao modo como os morcegos se ecolocam para mapear seu ambiente.

Estruturas enigmáticas

Para este estudo, Kim e seus colegas procuraram ecos gerados por um tipo específico de onda (chamado de onda de cisalhamento) enquanto ela viaja ao longo da fronteira do núcleo com o manto. Numa gravação de um único terremoto, conhecido como sismograma, é difícil distinguir os ecos das ondas de cisalhamento difratadas dos ruídos aleatórios. Mas observar muitos sismogramas de vários terremotos ao mesmo tempo pode revelar semelhanças e padrões que identificam os ecos ocultos nos dados.

Usando um algoritmo de aprendizado de máquina chamado Sequencer, os pesquisadores analisaram 7 mil sismogramas de centenas de terremotos de magnitude 6,5 e maiores que ocorreram na bacia do Oceano Pacífico de 1990 a 2018. O Sequencer foi desenvolvido por coautores do novo estudo da Universidade Johns Hopkins (EUA) e da Universidade de Tel Aviv (Israel) para encontrar padrões de radiação de estrelas e galáxias distantes. Quando aplicado a sismogramas de terremotos, o algoritmo descobriu um grande número de ecos de ondas de cisalhamento.

“O aprendizado de máquina nas geociências está crescendo rapidamente, e um método como o Sequencer nos permite detectar sistematicamente ecos sísmicos e obter novas ideias sobre as estruturas na base do manto, que permaneceram em grande parte enigmáticas”, disse Kim.

Surpresas

O estudo revelou algumas surpresas na estrutura dos limites núcleo-manto. “Encontramos ecos em cerca de 40% de todos os caminhos de ondas sísmicas”, disse Vedran Lekic, professor associado de geologia da UMD e coautor do estudo. “Isso foi surpreendente, porque esperávamos que eles fossem mais raros, e isso significa que as estruturas anômalas no limite do manto são muito mais difundidas do que se pensava anteriormente.”

Os cientistas descobriram que o grande pedaço de material quente e muito denso na fronteira núcleo-manto no Havaí produzia ecos excepcionalmente altos, indicando que ele é ainda maior do que as estimativas anteriores. Conhecidos como zonas de velocidade ultrabaixa (ULVZs, na sigla em inglês), esses fragmentos são encontrados nas raízes de plumas vulcânicas, onde as rochas quentes sobem da região de fronteira do manto com o núcleo para produzir ilhas vulcânicas. A ULVZ abaixo do Havaí é a maior conhecida.

O estudo também encontrou uma ULVZ anteriormente desconhecida sob as Ilhas Marquesas. “Ficamos surpresos ao encontrar uma estrutura tão grande nas Ilhas Marquesas que nem sabíamos que existia antes”, disse Lekic. “Isso é realmente empolgante, porque mostra como o algoritmo Sequencer pode nos ajudar a contextualizar os dados do sismograma em todo o mundo de uma maneira que não podíamos fazer antes.”

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