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.