Regime geodinâmico em evolução da Terra registrado por isótopos de titânio

Natureza (2023)Cite este artigo

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O manto terrestre tem uma estrutura de duas camadas, com os domínios do manto superior e inferior separados por uma descontinuidade sísmica a cerca de 660 km (refs. 1,2). A extensão da transferência de massa entre estes domínios do manto ao longo da história da Terra é, no entanto, pouco compreendida. A extração da crosta continental resulta em fracionamento isotópico estável ao Ti, produzindo resíduos de fusão isotopicamente leves . A reciclagem desses componentes no manto pode transmitir variabilidade isotópica de Ti que é rastreável em tempo profundo. Relatamos proporções 49Ti/47Ti de ultra-alta precisão para condritos, antigas lavas derivadas do manto terrestre variando de 3,8 a 2,0 bilhões de anos atrás (Ga) e modernos basaltos de ilhas oceânicas (OIBs). Nossa nova estimativa de terra de silicato de Ti (BSE) baseada em condritos é 0,052 ± 0,006‰ mais pesada do que o manto superior moderno amostrado por basaltos normais da dorsal meso-oceânica (N-MORBs). A proporção 49Ti/47Ti do manto superior da Terra era condrítica antes de 3,5 Ga e evoluiu para uma composição semelhante a N-MORB entre aproximadamente 3,5 e 2,7 Ga, estabelecendo que mais crosta continental foi extraída durante esta época. O deslocamento de +0,052 ± 0,006‰ entre BSE e N-MORBs requer que <30% do manto terrestre seja equilibrado com material crustal reciclado, implicando troca de massa limitada entre o manto superior e inferior e, portanto, preservação de um reservatório primordial do manto inferior para a maior parte da história geológica da Terra. Os OIBs modernos registram proporções variáveis ​​de 49Ti/47Ti, variando de composições condríticas a N-MORBs, indicando a ruptura contínua do manto primordial da Terra. Assim, as placas tectônicas de estilo moderno com alta transferência de massa entre o manto superior e inferior representam apenas uma característica recente da história da Terra.

A história de acréscimo de planetas terrestres é pontuada por um estágio oceânico global de magma, que leva à diferenciação planetária e ao estabelecimento de reservatórios importantes, como núcleo, manto e crosta. A subsequente evolução e modificação destes reservatórios pode afetar substancialmente os regimes térmicos e geodinâmicos dos planetas. Com base na mineralogia, reologia e velocidade sísmica, foi estabelecido que a estrutura do manto terrestre é composta por camadas com uma descontinuidade sísmica principal a cerca de 660 km que separa os domínios do manto superior e inferior . No entanto, até que ponto a transferência de massa ocorre dentro do manto ao longo da história geológica permanece altamente debatida. Os dados de tomografia sísmica sugerem que as placas subduzidas podem penetrar no manto inferior e, à taxa atual de troca de massa, não se prevê que o manto primordial da Terra sobreviva após prolongada convecção em toda a escala do manto8,9,10. Entretanto, estudos baseados em gases nobres11,12,13,14,15, bem como em isótopos de tungsténio16 e neodímio17, sugeriram, em vez disso, a existência de domínios primordiais do manto na moderna Terra profunda. Embora a preservação de um reservatório primordial do manto inferior ao longo de longas escalas de tempo geológicas seja debatida 18,19, alguns modelos geodinâmicos mostram que a preservação dos domínios primordiais do manto pode ocorrer em um regime de convecção de estilo moderno, de todo o manto, caracterizado por subducção profunda . Além disso, tanto a modelagem numérica quanto as observações geológicas21,22,23,24,25 sugerem que o regime de convecção da Terra e, portanto, o estilo de subducção da laje também podem ter evoluído consideravelmente ao longo do tempo como consequência da mudança no fluxo de calor e na transferência de calor25, 26. Como tal, uma solução potencial para o enigma é que a elevada transferência de massa entre o manto superior e inferior inferida a partir da tomografia sísmica é uma característica relativamente recente da história geológica da Terra, de modo que o reservatório primordial e menos desgaseificado do manto inferior tem sofrido perturbações, mas ainda não está totalmente destruído27. Esta hipótese não foi totalmente avaliada devido à falta de uma ferramenta geoquímica inequívoca que possa rastrear fielmente a troca de massa entre o manto e os reservatórios da crosta terrestre no tempo profundo.