Colocando o aperto nas pedras

Jun 02, 2024

Uma plataforma personalizada pode colocar amostras de rochas sob os níveis de tensão que experimentam nas profundezas da Terra

“Sempre me interessei pelas origens das placas tectônicas”, disse Philip Skemer, PhD, professor assistente do Departamento de Ciências da Terra e Planetárias em Artes e Ciências da Universidade de Washington em St. Louis.

“As placas tectônicas são direta ou indiretamente responsáveis ​​por praticamente todos os fenômenos geológicos que vivenciamos na superfície da Terra.”

“Mas quando cheguei à pós-graduação, percebi que muitas das perguntas que eu fazia sobre as placas tectônicas não poderiam ser respondidas com um martelo ou um computador. Para chegar ao cerne da questão, eu realmente precisava fazer experimentos de laboratório.”

Mas, como ele aprendeu rapidamente, não existiam instrumentos que pudessem recriar na superfície as condições do manto da Terra. Assim, com a ajuda de uma bolsa da National Science Foundation, ele construiu sua própria máquina, que chama de aparelho de torção de grande volume.

O problema

As rochas na superfície da Terra são frágeis e fraturam se você bater nelas com um martelo. Mas nas profundezas da superfície, onde é muito mais quente e a pressão é muito maior, eles são capazes de se deformar sem quebrar. Eles rastejam, ou fluem, comportando-se mais como fluidos do que como sólidos rígidos.

O fluxo se manifesta na superfície como o movimento pesado de grandes jangadas de rocha que constituem os continentes e o fundo do oceano. As rochas fluidas do manto arrastam-se sobre essas placas tectônicas, puxando-as e empurrando-as para um lado e para o outro.

“A viscosidade das rochas é crítica para a compreensão das placas tectônicas”, disse Skemer. “Em temperaturas e pressões suficientemente altas, as rochas, como outros fluidos, têm viscosidade. Mas a viscosidade das rochas no manto superior pode ser de 1.019 ou 1.020 pascal-segundos, enquanto a viscosidade da água é de cerca de 10-3 pascal-segundos. A diferença é enorme; mais de 20 ordens de grandeza.

Os cientistas podem estimar a viscosidade dos materiais do manto sob diversas condições, conduzindo experimentos. Mas para derivar a viscosidade sem extrapolar perigosamente além dos dados experimentais, eles têm que ser capazes de expor as rochas a uma ampla gama de condições de deformação.

“Durante muito tempo, as pessoas fizeram experimentos com dispositivos que comprimiam uma amostra cilíndrica de rocha”, disse Skemer. “Se eu empurrar um cilindro, posso encurtá-lo em 50%, ou seja, distender em 50%. Mas 50% não é nada para a Terra.

“Se eu for a campo, poderei facilmente encontrar rochas que se deformaram a tensões de 2.000% ou até maiores”, disse ele. Muitos processos críticos de deformação não ocorrem até que deformações muito grandes sejam alcançadas.

O novo equipamento

Para atingir esses níveis de tensão, Skemer construiu um aparelho de deformação de rochas que torce as amostras e também as pressiona. “Se você torcer um cilindro de rocha, poderá torcê-lo para sempre”, disse ele. “Não há limite geométrico para o quanto você pode deformá-lo.”

“Eu não poderia simplesmente sair e comprar o instrumento que queria”, disse Skemer. “Não existem instrumentos de deformação de rochas disponíveis comercialmente porque a disciplina acadêmica é muito pequena.

“Felizmente, existe todo um mundo de equipamentos por aí que permitirá construir um aparelho que pode fazer praticamente tudo o que você quiser”, disse Skemer, que admite ler catálogos de suprimentos industriais para se divertir.

Seu novo equipamento prende uma amostra de rocha entre bigornas de carboneto de tungstênio com cerca de um quarto de polegada de diâmetro em uma prensa hidráulica de 100 toneladas. Uma vez sob pressão, um atuador de parafuso, originalmente projetado para tarefas como levantar pontes levadiças, gira-o por baixo. Skemer reduziu o atuador em cerca de 500.000:1, para que o torque possa ser aplicado lentamente.

“Seis giga pascal (GPa) é minha pressão alvo”, disse Skemer. “Isso é cerca de 870.000 libras por polegada quadrada. Dito de outra forma, são 435 toneladas de força, aproximadamente o peso de um 747 carregado, pressionando uma área do tamanho de um selo postal. O centro da Terra tem cerca de 360 ​​GPa”, disse ele, “mas 6 GPa leva você 250 quilômetros para baixo, até a base das placas tectônicas”.