Estrutura física e química da Terra

Estrutura física e química da
Terra
• Os elementos químicos que estão globalmente presentes são os
mesmos que constituem os minerais mais comuns.
• Existem atualmente cerca de 116 elementos químicos, incluindo 6
gases nobres e 28 elementos que não são encontrados naturalmente
(ou que não tem isótopos estáveis).
• Mas, os minerais mais comuns da Terra são compostos por certa de
15 elementos químicos.
Composição da Terra
• Está divida em crosta,
manto e núcleo.
• A crosta tem espessura média
de 36 km nos continentes, mas
varia ~ 10 km sob os oceanos a
~ 100 km sob as montanhas.
• O limite entre a crosta e o
manto superior subjacente é
conhecido como
descontinuidade de
Mohorovičić (Moho).
Composição da Terra
• O manto constitui
aproxidamente 80% do
volume do planeta e
extende-se da crosta até o
núcleo externo a 2.891 km.
• É dividido entre manto
superior e manto inferior,
separados pela zona de
transição do manto.
Composição da Terra
• Deve haver uma outra
camada no limite manto
inferior – núcleo.
• Este limite é irregular, e não
regular, como mostra a
figura.
Composição da Terra
• O núcleo é dividido em
externo líquido e interno
sólido, extendendo-se até
6.371 km, que é o raio da
Terra.
À medida que os minerais são levados para interior da Terra, as
pressões e as temperaturas aumentam (de aproximadamente 2.727°C
no manto inferior até, possivelmente aproximadamente 5.726°C a
6.726°C no núcleo), o que causa transformações mineralógicas.
• A densidade geral do material no núcleo é consideravelmente maior
que na crosta da Terra.
• Dessa forma, o empacotamento atômico dos minerais no manto
inferior e no núcleo deve ser mais denso que o observado nos
materiais da crosta.
Composição da crosta terrestre
• A parte superior da crosta, consiste nos materiais mais próximos da
superfície da Terra, composta por uma grande porcentagem de rochas
sedimentares e de material inconsolidado.
• No entanto, esta cobertura forma apenas uma fina camada sobre o
embasamento de rochas ígneas e metamórficas que estão nos
cinturões de montanhas e nos fundos oceânicos.
• Clarke e Washington (1924) estimaram que os 16 km superiores da
crosta consistem em 95% de rochas ígneas(ou seus equivalentes
metamórficos), 4% de folhelhos, 0,75% de arenitos e 0,25% de
calcários.
• Estes autores também estudaram a composição média das rochas
ígneas e concluíram que a composição média esta entre o granito e o
basalto, que são os dois tipos de rocha ígnea mais comuns. Contudo,
estes dados não incluem muitas rochas do fundo os oceanos, o que
poderia alterar estes resultados.
• Dos 88 elementos existentes naturalmente, apenas 8 compõem
aproximadamente 99% em peso da crosta terrestre, sendo o oxigênio
o mais abundante.
• Assim, a crosta da Terra consiste quase inteiramente em compostos
de oxigênio que são principalmente silicatos, carbonatos, óxidos,
hidróxidos, fosfatos e sulfatos.
• Por causa da abundância do oxigênio e de outros elementos de baixo
peso atômico na crosta, a densidade média dela é de
aproximadamente 2,8g/cm3. Assim, os minerais conhecidos como
minerais formadores de rocha na crosta são, com poucas exceções,
membros dos grupos dos silicatos, óxidos e carbonatos, que possuem
o oxigênio como principal ânion.
• Outros elementos ocorrem em quantidades muito pequenas e são
chamados de ELEMENTOS TRAÇO. Eles são medidos em partes por
milhão (ppm) ou partes por bilhão (ppb). Apesar de sua pouca
abundância, eles podem fornecer informações sobre processos
geológicos.
• Muitos elementos importantes para a economia tem abundância
média muito baixa da crosta. Por exemplo, em uma típica rocha, o Cu
tem abundância de 55ppm, o Pb de 13ppm e o Hg de 0,08ppm.
• Os elementos traço podem ocorrer: 1) como elementos que formam
seus próprios minerais e 2) como elementos que estão apenas
dispersos em outros minerais.
Composição do manto
• A separação entre a crosta e o manto superior é associada com uma
grande mudança química de composição crustal rica em silício e
alumínio para uma composição mais pobre em sílica e mais rica em
magnésio e ferro do manto.
• O manto superior é dominado pelo mineral olivina, seguida pelo
piroxênio.
(Mg,Fe)2SiO4
• É possível analisar a composição do manto pelo exame de amostras
trazidas até a superfície por erupções vulcânicas e em falhas
geológicas.
• Podem ocorrer em basaltos ou em chaminés de kimberlitos.
Kimberlitos são produtos de antigas e violentas erupções vulcânicas
que ascendem na superfície em velocidades supersônicas,
preservando minerais como o diamante.
• Em maiores profundidades e pressão, a zona de transição possui
descontinuidades associadas a mudanças nas propriedades dos
materiais sem que haja mudanças na composição química. Exemplo
da olivina:
Peso específico: Define-se
peso específico como a
razão entre o peso da
substância em módulo e o
seu volume. Portanto, o
peso específico é o produto
entre a densidade e a
aceleração da gravidade.
• Não se sabe se a descontinuidade de 660km representa somente uma
mudança na composição ou se representa também uma mudança
estrutural.
• O manto inferior, abaixo desta descontinuidade, é constituído pelo
mineral Perovskita (óxido de cálcio e titânio, CaTiO3). Estima-se que
80% a 100% do volume desta região seja formada por minerais com
estrutura semelhante a ele, tornando-o um dos minerais mais
abundantes do planeta, embora seja pouco encontrado na superfície.
• Para o manto inferior não se pode obter amostras diretamente, são
usados experimentos de laboratório de alta temperatura e pressão e
simulações de computadores para determinais quais minerais são
estáveis nestes condições.
Composição do núcleo
• A transição do manto inferior para o núcleo é uma descontinuidade
química definida.
• O núcleo é extremamente denso e representa 30% da massa da Terra,
mas somente 1/6 (17% do seu volume); Este volume é maior do que
todo o planeta Marte.
• O núcleo externo líquido, de 2.900 – 5.100 km, consiste
fundamentalmente de ferro, além de aproximadamente 2% de níquel.
• Seu peso específico é de 9,9 g/cm3.
• O núcleo interno sólido, de 5.100 km a 6.371 km, também consiste
em uma liga de ferro-níquel, contendo aproximadamente 20% de
níquel.
• O núcleo possui pressões que correspondem a 3 milhões de vezes a
pressão atmosférica e temperaturas que atingem 7.600°C.
• Estudos e experimentos de minerais em pressões e temperaturas
extremamente altas mostram que esse ambiente faz com que eles se
comportem de maneira muito diferente da observada no manto e na
crosta.
Composição da Terra
• Embora não seja possível determinar diretamente esta composição
média, hipóteses e cálculos podem ser feitos usando limites como a
composição média de diferentes tipos de meteoritos e volumes e
composições conhecidos do núcleo, manto e crosta, fornecendo uma
estimativa global para a Terra.
• Mason e Moore (1982) calcularam a composição da Terra em
porcentagem de peso: Fe com 34.63%; O 29,53%; Si 15,20%; Mg
12,70%; Ni 2,39% S 1,93%; Ca 1,13%; Al 1,09% e sete outros
elementos (Na, K, Cr, Co, Mn, P e Ti) com quantidades de 0,1 a 1%
cada um.
• A abundância média da Terra variam em relação a abundância média
da crosta.
• Isso implica que cerca de 10 a 15 elementos químicos, apenas,
constituem a matéria básica comum à maioria dos minerais.