Estrutura e composição da geosfera

Refere dois métodos diretos de estudo da geosfera e explica por que razão, mesmo com as sondagens mais profundas, apenas conhecemos diretamente uma fração mínima do raio terrestre.

Classifica estes métodos de estudo do interior terrestre em diretos ou indiretos e justifica a classificação: uma sondagem profunda, o registo de ondas sísmicas, a análise de xenólitos transportados por um vulcão e o estudo de meteoritos.

A sondagem de Kola (Rússia) atingiu cerca de $12\ \text{km}$ de profundidade, o recorde de perfuração. Calcula que percentagem do raio terrestre ($6\,370\ \text{km}$) representa essa profundidade e conclui por que razão o conhecimento do interior do planeta depende de métodos indiretos.

Os vulcões transportam por vezes fragmentos de rocha do manto (xenólitos de peridotito). Explica que informação direta fornecem sobre a composição do manto, por que razão são tão valiosos e que limitação apresentam (de que profundidade máxima provêm?).

Explica em que se distinguem as ondas sísmicas P e S (tipo de movimento e meios que atravessam) e como as suas zonas de sombra permitiram deduzir a existência e o estado do núcleo terrestre.

Uma onda sísmica P propaga-se a $8\ \text{km/s}$ a partir de um foco situado a $600\ \text{km}$ de profundidade. Calcula quanto tempo demora a atingir a estação localizada exatamente na vertical do epicentro e explica de que forma os sismólogos, medindo tempos de chegada em muitas estações, localizam o hipocentro.

Nomeia as camadas da geosfera ordenadas desde o exterior até ao centro do planeta e indica o estado físico (sólido, fluido) de cada uma.

Compara a crosta continental e a crosta oceânica quanto à sua espessura, composição e densidade, e relaciona essas diferenças com o seu comportamento durante a colisão de duas placas.

1. a) Cita os quatro elementos químicos mais abundantes da crosta terrestre.
2. b) Explica porque razão os minerais silicatos dominam as rochas da superfície.

O que é uma descontinuidade sísmica? Indica que camadas separam as descontinuidades de Mohorovičić e de Gutenberg e a que profundidades aproximadas se localizam.

O esquema representa, em corte, as camadas concêntricas da geosfera. a) Nomeia as camadas assinaladas com os números 1 a 4. b) Indica a profundidade aproximada em falta («?») e que descontinuidade se situa a essa profundidade. c) Refere o estado físico das camadas 3 e 4 e a evidência que o demonstra.

Compara a composição química dominante da crosta (silicatos ricos em alumínio), do manto (silicatos ricos em magnésio, como a olivina) e do núcleo (ferro e níquel), e relaciona-a com a diferenciação de um planeta jovem e fundido: que materiais se afundaram e quais flutuaram?

A massa volúmica média global da Terra é de $5{,}5\ \text{g/cm}^3$, enquanto a das rochas crustais oscila entre $2{,}7$ e $3{,}0\ \text{g/cm}^3$ (granito, basalto) e os peridotitos do manto superior mal atingem $3{,}3\ \text{g/cm}^3$.

1. a) Justifica por que razão este contraste descarta de forma conclusiva que a Terra seja homogénea e demonstra que a maior parte do seu interior deve conter materiais com massas volúmicas muito superiores às observadas à superfície.
2. b) Analisam-se dois tipos de meteoritos: um condrito (silicatado, massa volúmica $\approx 3{,}5\ \text{g/cm}^3$) e um siderito (liga Fe-Ni, massa volúmica $\approx 7{,}8\ \text{g/cm}^3$). Interpreta a origem cosmoquímica de ambos a partir do processo de acreção e diferenciação de asteroides progenitores, e fundamenta por que razão os sideritos constituem a prova indireta clássica que apoia a natureza química proposta para o núcleo terrestre.

Distingue crosta, litosfera e astenosfera: indica que critério define cada limite (composição versus comportamento mecânico) e que camada contém qual.

Explica o princípio da isostasia através da analogia com os icebergues, e justifica por que razão as cordilheiras elevadas possuem «raízes» crustais profundas e o que acontece quando a erosão as adelgaça.

Um estudante propõe a seguinte hipótese para simplificar o cálculo do tempo de viagem das ondas sísmicas: «Dado que o manto terrestre é um meio sólido contínuo até aos $2\,900\ \text{km}$ de profundidade, os raios sísmicos que viajam desde o foco até uma estação sismológica distante propagam-se em linha reta a uma velocidade média constante; portanto, o tempo de chegada calcula-se simplesmente dividindo a distância geométrica em linha reta por essa velocidade».

1. a) Rebate fundamentadamente a sua hipótese explicando por que razão a trajetória real dos raios sísmicos através do manto é curva e côncava em direção à superfície terrestre (apoia-te na variação das propriedades elásticas com a profundidade e na lei de Snell da refração).
2. b) Baseando-te no princípio do menor tempo (princípio de Fermat), justifica por que razão, a distâncias epicentrais superiores a algumas centenas de quilómetros, uma onda que segue essa trajetória curva e profunda chega antes à estação recetora do que outra hipotética onda que viajasse em linha reta por níveis mais superficiais.

Num debate sobre geodinâmica interna, um aluno afirma: «A descontinuidade de Mohorovičić é o plano onde a litosfera se descola e desliza sobre a astenosfera. Além disso, como a crosta oceânica é silicatada e menos densa do que os peridotitos do manto, é impossível que uma placa litosférica possa afundar-se espontaneamente no manto durante a subducção».

Identifica os erros geológicos desta afirmação e refuta-os respondendo ao seguinte:

1. a) Diferencia com precisão a natureza do limite crosta-manto face ao limite litosfera-astenosfera, indicando que camadas composicionais integram uma placa litosférica oceânica madura.
2. b) Resolve o paradoxo da flutuabilidade: justifica por que razão uma placa litosférica oceânica no seu conjunto chega efetivamente a ser mais densa do que a astenosfera subjacente e acaba por subduzir de forma espontânea, apesar de incluir a crosta oceânica.
3. c) Justifica por que razão os peridotitos do manto litosférico se comportam como um sólido frágil e rígido enquanto os peridotitos da astenosfera, quimicamente idênticos, se comportam de forma dúctil, analisando a relação entre o gradiente geotérmico e a curva de solidus.

Explica o que é o gradiente geotérmico, quanto aumenta a temperatura à medida que se aprofunda nos primeiros quilómetros (cerca de $30\ \text{°C/km}$ como valor médio) e que consequência acarreta para as minas profundas.

O núcleo externo é líquido e o núcleo interno, ainda mais quente, é sólido. Explica este aparente paradoxo recorrendo à pressão, e justifica que fenómeno planetário essencial (o campo magnético) é gerado no núcleo externo em movimento.

Uma sonda de exploração geofísica instala uma rede de sismómetros num planeta rochoso recém-descoberto. Após um grande impacto meteorítico no seu polo norte ($0^\circ$), os sismógrafos registam:

• Ondas P diretas entre $0^\circ$ e $105^\circ$ de distância angular.

• Uma zona de sombra total (sem ondas P nem S diretas) entre $105^\circ$ e $142^\circ$.

• Entre $142^\circ$ e as antípodas ($180^\circ$) voltam a registar-se ondas P, mas chegam com um atraso notável e não se regista nenhuma onda S direta.

1. a) Interpreta estes registos aplicando as leis de propagação e refração de ondas sísmicas para deduzir a existência do núcleo, o seu estado físico e a sua velocidade relativa de propagação em relação ao manto.
2. b) Prevê que novas fases sísmicas diretas esperarias registar na zona antipodal ($142^\circ$-$180^\circ$) se, com o arrefecimento progressivo do planeta, começasse a nuclear-se e a crescer um núcleo interno sólido.

Considera dois planetas terrestres nascidos simultaneamente da mesma nebulosa protossolar com idêntica composição inicial homogénea: o Planeta Alfa (raio de $6\,400\ \text{km}$) e o Planeta Beta (um corpo menor com um raio de $1\,200\ \text{km}$).

1. a) Explica por que razão o Planeta Alfa experimentou um aquecimento global que culminou na catástrofe do ferro e na sua diferenciação em camadas concêntricas de densidade, enquanto o Planeta Beta mal conseguiu fundir-se parcialmente ou ficou escassamente diferenciado. Analisa o papel das fontes de calor iniciais (energia de acreção, compressão gravítica e desintegração radioativa) face à taxa de perda de calor em função da relação superfície/volume.
2. b) Prevê o estado geodinâmico interno e a presença ou ausência de atividade vulcânica atual em ambos os corpos $4\,600$ milhões de anos após a sua formação, justificando a tua dedução a partir do calor residual e da abundância de radioisótopos.

Uma equipa de astrobiólogos investiga a habitabilidade de um planeta extrassolar rochoso. As suas medições revelam que atualmente carece de campo magnético global percetível, mas a análise dos seus basaltos mais antigos mostra que há $3\,500$ milhões de anos possuía um intenso campo dipolar que experimentava inversões periódicas de polaridade.

1. a) Justifica por que razão o magnetismo remanescente nas lavas basálticas (adquirido abaixo da temperatura de Curie) prova que o campo era gerado por um mecanismo de dínamo num núcleo fluido convectivo e descarta a hipótese de um íman permanente de rocha magnetizada no interior profundo.
2. b) Formula uma hipótese geofísica plausível sobre o que aconteceu ao interior desse planeta para que o geodínamo cessasse e prevê a sequência de impactos que este colapso magnético provocou sobre a sua atmosfera, as suas massas de água líquida superficial e o seu potencial biológico, utilizando a evolução geológica de Marte como referência.

A Terra tem uma massa total de $5{,}97 \times 10^{24}\ \text{kg}$ e um volume de $1{,}08 \times 10^{12}\ \text{km}^3$ (densidade média de $5{,}52\ \text{g/cm}^3$). O núcleo estende-se desde os $2\,900\ \text{km}$ de profundidade até ao centro do planeta ($r = 3\,480\ \text{km}$), com uma densidade média estimada de $11{,}0\ \text{g/cm}^3$.

1. a) Calcula a fração do volume total do planeta ocupada pelo núcleo e determina que percentagem da massa total da Terra está confinada nele.
2. b) À superfície, o ferro metálico puro possui uma massa volúmica de $7{,}87\ \text{g/cm}^3$, mas os cálculos de física de altas pressões indicam que o ferro puro comprimido às pressões do núcleo atingiria entre $11{,}5$ e $13{,}0\ \text{g/cm}^3$. Deduz o que revela esta discrepância (conhecida como o «défice de densidade do núcleo») sobre a sua composição química real relativamente à presença de elementos leves (como Si, O, S ou H).
3. c) Fundamenta que consequências geodinâmicas teria sobre a gravidade superficial e a convecção do manto se essa mesma massa de ferro estivesse dispersa homogeneamente por todo o manto em vez de concentrada no núcleo.

Os catálogos sismológicos mundiais mostram que os sismos em zonas de subducção se localizam ao longo da zona de Wadati-Benioff até uma profundidade limite de cerca de $670$-$700\ \text{km}$; abaixo desse nível, a sismicidade cessa por completo. No entanto, as imagens de tomografia sísmica confirmam que fragmentos de placas litosféricas continuam a afundar-se para além dos $700\ \text{km}$, chegando em alguns casos até à descontinuidade manto-núcleo (camada D'').

1. a) Justifica a existência de sismos a profundidades de várias centenas de quilómetros: por que razão a placa subduzida é capaz de se romper de forma frágil a profundidades onde o manto circundante flui plasticamente?
2. b) Explica a causa da cessação abrupta dos sismos aos $700\ \text{km}$, argumentando o duplo efeito do aquecimento progressivo da placa por difusão térmica e das transformações de fase mineralógicas da olivina (em bridgmanite e periclasite).
3. c) Se o manto inferior é um meio sólido que permite o afundamento de placas sem gerar sismicidade, deduz mediante que mecanismo físico se acomoda essa deformação e desmente o erro concetual comum de que o manto deve estar fundido (magma) para permitir esse fluxo.