Análise de diamante superprofundo revela como água pode chegar mais fundo ao interior da Terra

Pedra estudada no acelerador de partículas Sirius reforça hipótese de que mineral goethita pode transportar água da superfície do planeta até rochas da região do manto inferior

Igor Zolnerkevic | Agência FAPESP – Dentro de um diamante de apenas 3 milímetros de comprimento, em uma impureza microscópica, uma equipe de pesquisadores brasileiros descobriu a primeira evidência direta de que a goethita, o mineral responsável pela cor marrom dos solos, pode resistir a pressões e temperaturas extremas até chegar ao interior do planeta. A goethita é formada no solo e no leito dos oceanos, a partir de minerais ricos em ferro, na presença de água. Ela incorpora parte das moléculas de água em sua estrutura mineral. O estudo sugere que a goethita pode funcionar como um veículo que transporta e depois libera água até uma região conhecida como manto inferior.

Estudos anteriores, feitos por outros pesquisadores, confirmaram que a água da crosta terrestre – a camada de rochas mais externa da Terra, com 20 a 80 quilômetros (km) de espessura nos continentes e 5 a 10 km nos oceanos – pode chegar à região de rochas mais densas logo abaixo dela, o chamado manto superior, até profundidades de no máximo 660 km. A partir daí começa o manto inferior, com rochas de composição química semelhante às do manto superior, mas com minerais que possuem uma estrutura cristalina diferente, por causa do aumento de temperatura e pressão com a profundidade, que se estende até 2.900 km abaixo da superfície.

A pesquisa, publicada em maio na revista Scientific Reports, foi realizada no Sirius, o acelerador de partículas do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS), no Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM), em Campinas. Ela é resultado da dissertação de mestrado da geóloga Carolina Camarda, sob orientação do geólogo Tiago Jalowitzki, da Universidade de Brasília (UnB), e do físico Hélio Tolentino, do LNLS, com financiamento da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (Capes). Camarda realizou o trabalho em colaboração com a geóloga Fernanda Gervasoni, da Universidade Federal de Pelotas (UFPel), no Rio Grande do Sul, que faz um estágio de pós-doutorado no LNLS, com bolsa da FAPESP, orientada por Tolentino.

Em julho de 2018, Gervasoni e Jalowitzki visitaram uma cooperativa de garimpeiros da região de Chapadão, no município de Juína, em Mato Grosso, e receberam uma doação de diamantes superprofundos. Encontrados em poucos lugares no mundo, esses diamantes são formados a profundidades superiores a 300 km, enquanto a maioria se origina a cerca de 150 km abaixo da superfície. Em ambos os casos, são trazidos à superfície pelo magma que alimenta erupções vulcânicas.

Muitos diamantes superprofundos têm pouco valor como joia por causa da aparência irregular e da presença de pequenos fragmentos escuros de outros materiais aprisionados na pedra durante a sua formação, chamados de inclusões minerais. Para os geólogos, essas inclusões são mais valiosas do que o próprio diamante, porque funcionam como cápsulas do tempo, preservando evidências das condições do interior da Terra, onde essas pedras se formaram há centenas de milhões de anos.

Made in Brazil

Os diamantes superprofundos de Juína foram descobertos no fim dos anos 1980 e, desde então, têm sido fonte de várias descobertas científicas, até agora realizadas apenas por grupos liderados por pesquisadores estrangeiros. “A nossa é a primeira pesquisa feita totalmente por uma equipe brasileira e com instrumentos nacionais”, ressalta Gervasoni.

A pesquisa também é a primeira no mundo a analisar um diamante superprofundo usando técnicas de luz síncrotron do começo ao fim. Escolhida ao acaso, uma das pedras de Juína esteve entre os primeiros materiais analisados nas linhas de luz Mogno e Carnaúba, do Sirius, ainda durante a fase de comissionamento dos novos equipamentos do LNLS, antes de sua inauguração oficial, respectivamente em 2023 e 2021.

A luz síncrotron é uma radiação eletromagnética extremamente brilhante, emitida pelos elétrons que viajam ao redor do acelerador de partículas a velocidades próximas à da luz. As linhas de luz direcionam faixas específicas dessa radiação para estações de pesquisa para a análise de materiais.

A pesquisa é a primeira no mundo a analisar um diamante superprofundo usando técnicas de luz síncrotron do começo ao fim. Escolhida ao acaso, uma das pedras de Juína esteve entre os primeiros materiais analisados em duas linhas de luz do acelerador de partículas Sirius (foto: divulgação/LNLS-CNPEM)

Na linha Mogno, uma microtomografia de raios X de alta resolução mapeou cerca de cem inclusões minerais dentro do diamante. Em seguida, na linha Carnaúba, a espectroscopia de raios X determinou a composição química das inclusões.

Uma delas chamou a atenção da equipe, por parecer conter um hidróxido de ferro, algo muito raro no manto profundo, onde há poucos minerais hidratados e a maioria das rochas não favorece reações de oxidação. “Quando encontram hidróxidos de ferro, os pesquisadores geralmente descartam a inclusão, assumindo que alguma fratura microscópica no diamante causou a oxidação pelo contato com o ar”, explica Camarda, que atualmente faz doutorado no laboratório European XFEL, na Alemanha. “Como a tomografia provou que a inclusão não tinha nenhuma conexão com o exterior, resolvemos investigar.”

A equipe usou então outra linha de luz do Sirius, a Ema, para caracterizar todos os minerais da inclusão. Para surpresa dos pesquisadores, a técnica de difração de raios X identificou a presença de oxi-hidróxido de ferro goethita (FeOOH) e dos óxidos de ferro hematita (Fe₂O₃) e magnetita (Fe₃O₄). Embora sejam minerais muito comuns e abundantes no solo e no leito dos oceanos, a coexistência deles em uma inclusão microscópica é considerada impossível nas condições de temperatura e pressão da superfície do planeta.

Viagem ao interior da Terra

Até poucos anos atrás, era consenso entre os pesquisadores que a goethita não resistiria ao chamado processo de subducção, o afundamento de uma placa oceânica sob outra placa tectônica da crosta terrestre, em direção ao manto – como ocorre hoje, por exemplo, na costa oeste da América do Sul, onde a crosta do oceano Pacífico afunda sob o continente, produzindo a atividade vulcânica e tectônica que formou (e continuar a formar) a cordilheira dos Andes. Logo no início do processo, temperaturas acima de 200 graus Celsius (°C) transformariam rapidamente a goethita em hematita e água.

Camarda e seus colegas notaram, entretanto, que os resultados da difração do Sirius eram muito semelhantes aos obtidos por um experimento de compressão de onda de choque, realizado na Universidade de Sichuan, na China, em 2021, mostrando que a goethita pode resistir a pressões entre 35 e 57 gigapascal (GPa, equivalente a cerca de 500 vezes a pressão no ponto mais profundo dos oceanos) e temperaturas entre 877 e 1.827 °C. Essas condições ocorrem no manto inferior, entre 900 e 1.250 km de profundidade.

Muitos pesquisadores interpretam esses resultados com ceticismo, pois experimentos de choque não reproduzem exatamente todas as condições físicas do manto inferior e superior. No entanto, também em 2021, uma equipe liderada por pesquisadores da Universidade de Bayreuth, na Alemanha, mostrou que a goethita resistiu a condições de pressão e temperatura semelhantes, em um experimento de compressão por células de bigorna de diamante, capaz de simular de maneira mais fiel o ambiente do manto. Outros experimentos com bigorna de diamante também testaram a resistência desse mineral, mas sugerindo sua desidratação em profundidades menores.

A equipe de Camarda propõe, então, que a goethita pode sobreviver à subducção, abrigada em fissuras profundas no interior de placas oceânicas relativamente frias, chegando a profundidades maiores que 400 km. A partir daí, ela começaria a se transformar em hematita e água ou em magnetita, oxigênio e água, em um processo que poderia se estender até o manto inferior.

O diamante que encapsulou esses minerais pode ter sido criado a partir da cristalização do carbono presente em minerais do manto ou da própria placa oceânica. O manto terrestre é relativamente pobre em carbono, sendo composto principalmente de minerais ricos em magnésio, ferro e silício. Em outra inclusão do mesmo diamante, a equipe identificou a presença de um desses minerais, o ferropericlásio ((Mg, Fe)O), muito abundante no manto inferior, sendo mais uma indicação da profundidade em que esse diamante se formou.

“A liberação de água abaixa o ponto de fusão dessas rochas, podendo gerar pequenas quantidades de magma, que tendem a subir lentamente à superfície”, explica Gervasoni. “Há teorias propondo que as rochas vulcânicas que trazem os diamantes superprofundos à superfície podem se formar perto da zona de transição entre o manto superior e o inferior, em torno de 400 km de profundidade.”

Em 2014, uma equipe internacional publicou na revista Nature a descoberta, também em um diamante de Juína, de um mineral abundante na zona de transição, a ringwoodita (Mg₂SiO₄), capaz de absorver água. O manto superior parece abrigar grandes quantidades de água vinda da superfície. Já a maioria dos minerais do manto inferior possui pouca capacidade de armazenar água.

Além de Camarda, Gervasoni, Jalowitzki e Tolentino, participaram do trabalho mais 11 pesquisadores, vinculados ao CNPEM, à UnB e à Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS). A pesquisa também recebeu financiamento do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de Estudos Tectônicos, do Instituto Serrapilheira e do programa Women in Research, da Universidade de Münster, na Alemanha.

O artigo Iron oxyhydroxide as water carrier to the Earth’s mantle pode ser lido em: nature.com/articles/s41598-026-46683-8.