Introdução
Em um laboratório em Viena, na primavera de 2009, um estudante de pós-graduação da Universidade de Durham chamado John McNeill examinava, um por um, o conteúdo de um pote de filme fotográfico cheio de diamantes feios. Seu orientador, o geoquímico Graham Pearson, então em Durham e prestes a se mudar para a Universidade de Alberta, os havia comprado por quase nada. Não eram pedras de vitrine de joalheria. Eram diamantes “ultraprofundos” garimpados em cascalhos de rios perto de Juína, no estado brasileiro de Mato Grosso, castigados e de um marrom turvo, do tipo que os lapidadores rejeitam. A equipe de Pearson os havia arrematado por trocados; a pedra que importou custou cerca de US$ 20. McNeill não estava atrás de uma manchete. Ele tentava descobrir como datar os diamantes e apontava um feixe de luz para uma inclusão após a outra, lendo o espectro que cada uma devolvia.
Um minúsculo ponto, enterrado dentro do diamante e invisível a olho nu, devolveu um sinal que ninguém esperava de uma rocha sobre a bancada de um laboratório. Era ringwoodita, uma forma de alta pressão do comum mineral olivina que, até aquele momento, só havia sido encontrada em meteoritos e forjada à força em prensas de laboratório. Dois anos depois, quando Pearson já havia transferido seu laboratório para a Universidade de Alberta, uma medição infravermelha do mesmo ponto invisível trouxe uma segunda surpresa: o cristal estava molhado. Molhado, aqui, significa que a água, na forma de hidroxila ligada à estrutura cristalina, respondia por mais de 1% de seu peso.
Aquela pedra de US$ 20 virou a prova física por trás de uma das afirmações de som mais estranho da geologia moderna: a de que, centenas de quilômetros sob os seus pés, aprisionada em rocha sólida, pode haver tanta água quanto em todos os oceanos da superfície, ou várias vezes mais. Um diamante descartado e uma muralha de sismômetros que se estende por um continente construíram o argumento em favor da água dentro da Terra. Os cientistas ainda discutem, e com vigor, quanto existe de fato lá embaixo.
Existe mesmo um oceano dentro da Terra?
Não há uma caverna de água do mar chacoalhando sob a crosta, nenhum mar sem sol à espera dos exploradores de Jules Verne. Frank Brenker, geocientista da Universidade Goethe, em Frankfurt, que trabalhou em vários dos diamantes decisivos, faz a correção sem rodeios: a água lá embaixo está ligada a uma rocha que “não pareceria molhada nem pingaria água”. O “oceano dentro da Terra” é uma figura de linguagem sobre massa.
O que é real é mais estranho e, em alguns aspectos, mais importante. Entre cerca de 410 e 660 quilômetros de profundidade fica uma camada que os geólogos chamam de zona de transição do manto. Ela separa o manto superior do manto inferior e é definida por dois saltos abruptos na velocidade das ondas sísmicas, a 410 km e a 660 km, que marcam onde os minerais se reorganizam em formas mais densas sob pressão crescente. Os minerais que dominam essa zona têm, por acaso, um talento incomum. Eles conseguem guardar água dentro de suas redes cristalinas em quantidades que a rocha acima e abaixo deles não consegue. Se mesmo uma fração modesta da zona de transição estiver hidratada, a água ali retida, convertida em volume equivalente na superfície, rivaliza com os oceanos ou os supera. O “oceano”, em outras palavras, é um reservatório de hidrogênio e oxigênio, armazenado como hidroxila e espalhado por um enorme volume de rocha.
A zona de transição é inalcançável. O furo mais profundo que a humanidade já perfurou, o Poço Superprofundo de Kola, no noroeste da Rússia, parou em 12,26 quilômetros, nem sequer 3% do caminho até o topo da zona de transição. As pressões a 410 km superam 13 gigapascais; a 660 km chegam a cerca de 23,5 GPa, com temperaturas que sobem de aproximadamente 1.400 até 1.650 graus Celsius na base. Nenhuma broca jamais amostrará essa camada. Tudo o que sabemos sobre ela vem de três janelas indiretas: as ondas sísmicas que a atravessam, os experimentos de laboratório que recriam suas pressões e os raros mensageiros minerais, os diamantes, que sobrevivem à viagem até a superfície.
O que é a ringwoodita?
A olivina é o mineral verde que compõe a maior parte do manto superior. Como gema, é chamada de peridoto. Se for empurrada fundo o bastante, seus átomos não conseguem manter o arranjo frouxo de baixa pressão e colapsam em empacotamentos mais compactos. Por volta de 410 km, a olivina se converte em uma fase mais densa chamada wadsleyita. Ainda mais fundo, perto de 520 km, a wadsleyita se reorganiza de novo em ringwoodita, que mantém sua estrutura até cerca de 660 km. Ali a pressão impõe uma última e dramática decomposição: a ringwoodita se dissocia em bridgmanita e ferropericlásio, os minerais do manto inferior, e a descontinuidade sísmica de 660 km marca essa transformação.
A ringwoodita leva o nome de Ted Ringwood, o geoquímico australiano que dedicou a carreira a descobrir como os minerais do manto se reorganizam sob pressão. Ele previu essas fases de alta pressão antes que alguém tivesse em mãos uma amostra terrestre. O mineral foi identificado pela primeira vez em 1969 no meteorito Tenham, uma pedra que caiu em Queensland, na Austrália, em 1879 e que havia sido comprimida por choque com força suficiente para forjar ringwoodita a partir de sua olivina. Durante os 45 anos seguintes, toda ringwoodita em que alguém já havia tocado veio de um meteorito ou de uma bigorna de laboratório.
O que faz a ringwoodita importar para a água é uma peculiaridade de sua estrutura cristalina. A rede do tipo espinélio tem espaço para trocar parte de seu magnésio e de seu oxigênio por grupos hidroxila, de modo que consegue incorporar hidrogênio com muito mais facilidade que a olivina. Um trabalho de laboratório de Thomas e colegas, publicado na Frontiers in Earth Science, mediu teores de água de até 1,7% em peso em ringwooditas sintéticas, com uma amostra chegando a 2,5% em peso pela calibração por SIMS, valores muito acima de qualquer coisa que o manto superior comum ou o manto inferior consigam comportar. Steve Jacobsen, geofísico da Universidade Northwestern que há anos cultiva em seu laboratório ringwoodita hidratada de um azul-safira, descreve o comportamento de forma simples: “A ringwoodita é como uma esponja, que absorve água. Há algo muito especial na estrutura cristalina da ringwoodita que lhe permite atrair hidrogênio e aprisionar água.”
Alta capacidade não é o mesmo que alto teor, e essa distinção está no centro de todo o debate. Uma esponja pode estar completamente seca. A pergunta que o diamante de Juína escancarou foi se a esponja da zona de transição está, de fato, molhada.
Como um diamante provou isso?
Os diamantes são os únicos mensageiros capazes de trazer um mineral da zona de transição intacto até a superfície. Um grão de ringwoodita levado para cima em um magma comum se descomprimiria e se aqueceria na subida, voltando a ser olivina muito antes de chegar à luz do dia, e é exatamente por isso que todas as tentativas anteriores de capturar um desses grãos haviam fracassado. Mas um diamante é uma gaiola rígida e quase incompressível. Uma inclusão aprisionada em seu interior é mantida a uma pressão próxima da original, protegida da reversão que, de outro modo, a apagaria. Os diamantes brutos “superprofundos” de Juína estão entre os pouquíssimos conhecidos que se originam de profundidades da zona de transição; o veredito de Pearson sobre a sua própria pedra foi o de que ela parecia ter “ido ao inferno e voltado”.
A pedra que McNeill estudava havia sido desenterrada em 2008 por garimpeiros artesanais em cascalhos rasos de rio, tendo sido trazida à superfície originalmente em kimberlito, a rocha vulcânica de origem mais profunda de todas. Tinha três milímetros de largura e era comercialmente sem valor. Depois que McNeill assinalou o sinal da ringwoodita, em 2009, a equipe passou anos confirmando-o, combinando difração de raios X, espectroscopia Raman e espectroscopia de infravermelho para determinar tanto a identidade do mineral quanto seu teor de água. O resultado foi publicado na Nature em março de 2014: a primeira ringwoodita terrestre já encontrada e a evidência direta de que a zona de transição é, “pelo menos localmente”, hidratada “até cerca de 1% em peso”.
“Na verdade, é a confirmação de que existe uma quantidade muito, muito grande de água aprisionada em uma camada realmente distinta na Terra profunda”, disse Pearson. Uma recalibração posterior do espectro de infravermelho da mesma inclusão, publicada por uma equipe que incluía Jacobsen, fixou o valor em 1,43 ± 0,27% em peso de H₂O, perto do máximo que o mineral consegue comportar, e um número mais preciso que a estimativa original.
Duas ressalvas acompanharam a descoberta desde o início. Primeiro, tratava-se de um único grão de um único diamante, um único ponto de dados, por mais impressionante que fosse, que diz que a zona de transição é úmida “pelo menos localmente” e não pode, por si só, provar que toda a camada está encharcada. Segundo, os próprios diamantes superprofundos são raros, talvez 1% de todos os diamantes, e os diamantes tendem a se formar onde há fluidos, de modo que podem amostrar as vizinhanças mais úmidas, e não a média. O artigo de 2014 abriu as portas para uma década de debate sobre o que havia do outro lado.
Quanta água realmente existe lá embaixo?
A manchete popular e a literatura científica divergem quanto à quantidade. O número que a maioria das pessoas já ouviu, “três vezes os oceanos”, é uma citação real, mas condicional. Ele remonta ao segundo grande estudo de 2014, em que Jacobsen e o sismólogo Brandon Schmandt combinaram experimentos de laboratório com dados sísmicos. O enquadramento era explícito quanto ao “se”: se apenas 1% do peso da rocha da zona de transição fosse água, isso sozinho equivaleria a quase três vezes os oceanos da superfície. Trata-se de uma extrapolação a partir de um cenário de armazenamento; ninguém mediu um inventário global.
Um enquadramento diferente, associado a Brenker e ao grupo da Universidade Goethe, descreve o teto, e não a linha de enchimento: os minerais densos wadsleyita e ringwoodita poderiam, em princípio, “absorver seis vezes a quantidade de água de nossos oceanos”. Isso é uma capacidade, o máximo teórico se a zona estivesse totalmente saturada. Se ela está sequer perto da saturação é a pergunta em aberto.
As estimativas do teor real de água cobrem uma ampla faixa e divergem em mais de uma ordem de grandeza, dependendo do método:
- O extremo seco. Huiqian Zhang, Gary Egbert e Qinghua Huang, escrevendo na Science Advances em 2022, usaram as variações geomagnéticas diurnas para inferir a condutividade elétrica do manto e concluíram que tanto o manto superior quanto a zona de transição são “quase secos, com 0,015 e 0,03% em peso de água, respectivamente”, muito abaixo do equivalente a um único oceano. Mesmo o limite superior mais folgado que adotaram chegou a apenas cerca de 0,15% em peso, “com preferência por valores menores”, e eles ressalvaram que seus observatórios são “enviesados para a Europa, a Ásia e a América do Norte”. Nessa leitura, o manto tem apenas um papel pequeno na circulação da água da Terra.
- O extremo úmido. Fei e colegas, também na Science Advances, inferiram a água a partir do contraste de viscosidade entre a ringwoodita e a bridgmanita e concluíram que “a zona de transição do manto contém de 1 a 2% em peso de água”, deixando-a, nas palavras dos autores, “quase saturada de água globalmente”.
- O meio-termo. Uma análise de Wenzhong Wang e colegas que combina a tomografia sísmica com a topografia da descontinuidade de 660 km chega a cerca de 0,2% em peso, em média, na parte inferior da zona de transição, com forte variação regional, e conclui que toda a zona de transição contém aproximadamente a massa de um oceano de água. Uma ampla revisão de estimativas geofísicas situa o manto superior em torno de 0,04 oceano, a zona de transição entre 0,2 e 1 oceano e o manto inferior em menos de 2 oceanos.
A variação regional pode ser, ela própria, a resposta. Conforme resumido na Eos, o trabalho de Munch e colegas constatou que a zona de transição “sob a Europa é compatível com uma zona de transição relativamente seca, com menos de 0,05% em peso (wt%) de H₂O”, enquanto “sob a América do Norte” ela mostra “enriquecimento de cerca de 0,3% em peso de H₂O”. Estudos de condutividade elétrica e estudos sísmicos encontram repetidamente a zona de transição mais úmida sob a subducção ativa, o Pacífico ocidental, partes da América do Norte e da China, e comparativamente seca sob a Europa. Em outras palavras, o “oceano dentro da Terra” é irregular, concentrado onde lajes frias de antigo assoalho oceânico mergulharam e estagnaram, e escasso onde isso não aconteceu. Nenhum número global único consegue descrevê-lo.
O ciclo profundo da água: como a água chega lá embaixo
De onde viria, afinal, a água da zona de transição? A resposta principal é a superfície. Nas zonas de subducção, lajes de crosta oceânica, encharcadas por sua longa vida sob o mar e carregando minerais hidratados e sedimentos úmidos, deslizam sob as placas vizinhas e afundam. A maior parte dessa água é espremida em profundidades rasas e retorna rapidamente pelos vulcões de arco. Mas parte desce mais fundo. A modelagem global da subducção feita por van Keken e colegas sugere que uma fração significativa, da ordem de um terço da água aprisionada nas lajes, é transportada para além dos filtros rasos, além dos 240 quilômetros de profundidade e em direção à zona de transição, onde a wadsleyita e a ringwoodita aguardam para aprisioná-la.
Isso faz a zona de transição se comportar como uma armadilha hidrológica ao longo do tempo geológico. A água desce com as lajes frias e se acumula nos minerais de alta capacidade. Como os minerais logo abaixo de 660 km, a bridgmanita e o ferropericlásio, mal conseguem reter água, o limite funciona como uma tampa: o material que o atravessa para baixo é obrigado a expelir sua água. A ideia de que a zona de transição não é “uma esponja seca”, mas um reservatório, é de Brenker, e é a versão que o trabalho posterior de seu grupo com diamantes foi concebido para testar.
Fusão na borda: a evidência sísmica
Três meses depois do artigo sobre a ringwoodita de Juína, Schmandt e Jacobsen publicaram uma segunda linha de evidência na Science, e esta tinha escala continental. Schmandt trabalhou com dados do USArray, o componente Transportable Array do EarthScope, uma grade móvel de 400 sismógrafos portáteis de banda larga, com espaçamento de cerca de 70 km, que, entre 2004 e 2015, ocuparia quase 1.700 locais de estações temporárias em todos os Estados Unidos contíguos. Ele buscava descobrir o que acontece onde a rocha do manto flui para baixo através do limite de 660 km. O laboratório de Jacobsen forneceu o mecanismo: quando a ringwoodita hidratada é empurrada para além dessa profundidade e se transforma em bridgmanita mais ferropericlásio, os novos minerais não conseguem aceitar a água, que é então expelida. Se a ringwoodita estivesse úmida, a água expelida deveria desencadear pequenas quantidades de fusão.
Esse processo se chama fusão por desidratação, e deve deixar uma impressão digital sísmica, porque até cerca de 1% de fusão parcial reduz de forma detectável a velocidade das ondas sísmicas. Sob a rede, Schmandt encontrou exatamente isso: quedas abruptas na velocidade sísmica perto do topo do manto inferior, em boa parte do interior dos Estados Unidos, nos lugares onde os modelos de circulação do manto dizem que o material está afundando. “A fusão que vemos parece ser impulsionada pela subducção, o fluxo descendente de material do manto vindo da superfície”, disse Schmandt. O laboratório e os dados sísmicos convergiram para a mesma conclusão: a zona de transição atua como um grande reservatório de água, e a fusão por desidratação em sua borda inferior ajuda a reter a água ali.
O sinal sísmico mapeia a liberação de água, e não a sua quantidade total, mas é uma evidência forte de que a zona de transição contém quantidades significativas de água nessas regiões. Este é também o estudo por trás da frase “três vezes os oceanos”, que sempre foi apresentada apenas como condicional.
Gelo em um diamante: a descoberta de 2018
A reviravolta seguinte trocou a hidroxila ligada por algo mais próximo da própria água. Em 2018, uma equipe liderada por Oliver Tschauner, da Universidade de Nevada, em Las Vegas, relatou inclusões de gelo VII, uma forma cristalina de água de alta pressão, estável acima de cerca de 2,4 GPa, aprisionadas em diamantes naturais. Escrevendo na Science, os autores interpretaram o gelo como o resíduo congelado de um fluido aquoso presente quando os diamantes cresceram, selado e mantido sob pressão durante a viagem até a superfície. Foi a primeira vez que o gelo de água do manto profundo foi reconhecido como um mineral natural; a Associação Mineralógica Internacional aprovou o gelo VII como mineral pouco antes da publicação, com base nessas mesmas inclusões.
Os diamantes vieram de vários continentes, entre eles fontes na África e na Ásia, o que a equipe interpretou como sinal de que se trata de um fenômeno global, e não de uma curiosidade local. As inclusões apontam para bolsões ricos em fluido na parte superior da zona de transição e em torno do limite de 660 km, formados onde a água quimicamente ligada é liberada à medida que a rocha circula pela região. Enquanto a ringwoodita provou que os minerais da zona de transição retêm água, o gelo VII sugeriu que ali também existe fluido aquoso livre, pelo menos em bolsões.
O diamante de Botsuana e o limite de 660 km
O problema do ponto de dados único de 2014 incomodava a área. Aquela primeira inclusão era pequena demais para que se determinasse sua química completa, de modo que era difícil saber se representava o manto comum ou algum canto úmido incomum. Em 2022, uma equipe que incluía Brenker e era liderada por Tingting Gu, então no Gemological Institute of America, abordou exatamente essa lacuna com um diamante da mina Karowe, em Botsuana, em um estudo publicado na Nature Geoscience.
Essa pedra continha uma inclusão polifásica, com ringwoodita junto a ferropericlásio e enstatita pobre em níquel, além de fases hidratadas, cuja associação mineral só poderia ter se formado a cerca de 23,5 GPa e aproximadamente 1.650 graus Celsius. Isso situa sua origem na descontinuidade de 660 km, o próprio piso da zona de transição, mais fundo que a amostra de 2014 e bem no limite com o manto inferior. Desta vez, a equipe conseguiu medir a química global da inclusão, que coincidia com a da rocha comum do manto encontrada em basaltos do mundo todo. Era manto comum, e estava saturado de água.
A petrologia também registrou um processo: a ringwoodita se decompondo em bridgmanita e ferropericlásio em um ambiente saturado de água, exatamente a reação de desidratação que Jacobsen havia reproduzido no laboratório. Os autores concluíram que as condições hidratadas “se estendem pelo menos por toda a zona de transição e adentram o manto inferior”, um quadro de hidratação mais amplo do que um único diamante poderia sustentar. O resumo de Brenker o ligou de volta à velha fantasia: “Isso também nos deixa um passo mais perto da ideia de Jules Verne de um oceano dentro da Terra”, com a ressalva permanente de que o “oceano” é rocha hidratada.
A impressão digital da fonte: isótopos de potássio
Na década de 2020, a pergunta havia passado de “há água?” para “de onde ela veio, e conseguimos provar diretamente a ligação entre a superfície e o manto?”. Em 2024, uma equipe liderada por Kai-Chen Xing publicou na Nature Geoscience uma abordagem baseada em traçadores químicos, usando isótopos de potássio em rochas vulcânicas cenozoicas do nordeste da Ásia. O potássio é abundante na água do mar e na crosta oceânica alterada, e seus isótopos são fracionados pelos processos que hidratam o assoalho oceânico, de modo que uma assinatura distinta de isótopos de potássio pode funcionar como impressão digital de uma água que um dia esteve na superfície.
A assinatura que a equipe encontrou em magmas de origem mantélica apontava para uma água na zona de transição sob a região que havia sido introduzida a partir da superfície pela laje subductada do Pacífico. Isso fecha o círculo que os estudos anteriores só podiam inferir: a zona de transição não só é hidratada, como pelo menos parte de sua água é água de superfície reciclada, levada pela subducção, e não água primordial remanescente da formação do planeta. É um resultado pontual, para uma região, mas reforça o quadro do ciclo profundo da água com uma química independente.
Então, é um oceano?
Um sim cheio de ressalvas. A evidência de que a zona de transição do manto contém água é hoje formada por vários fios independentes e é difícil de descartar: um cristal de ringwoodita terrestre com 1,43% em peso de água; assinaturas sísmicas de fusão por desidratação em escala continental; inclusões de gelo VII de vários continentes; um diamante saturado de água e quimicamente comum vindo do limite de 660 km; e uma impressão digital de isótopos de potássio que liga a água da zona de transição ao assoalho oceânico em subducção. A água lá embaixo é real: ligada à rocha e, em alguns lugares, abundante.
O que continua em aberto é a quantidade. As estimativas críveis, revisadas por pares, vão desde uma zona de transição quase seca, com cerca de 0,03% em peso, uma coadjuvante no orçamento de água da Terra, até uma quase saturada, com 1 a 2% em peso, que conteria vários oceanos. A leitura mais defensável do conjunto do trabalho é a de que a zona de transição contém, em média, algo da ordem da massa de um oceano de água, distribuída de forma desigual, mais úmida sob a subducção ativa e mais seca em outros lugares. O número “três vezes”, muito citado, é uma extrapolação condicional; “seis vezes” é um teto teórico. Citar qualquer um dos dois como medição estabelecida exagera a evidência.
Essa incerteza é a parte interessante. Ela significa que o ciclo profundo da água, ou seja, quanta água a Terra armazena dentro de si e como a troca entre a superfície e o interior manteve os oceanos aproximadamente estáveis ao longo de bilhões de anos, ainda está sendo medido, um diamante improvável e uma anomalia sísmica de cada vez. Como as discussões sobre a idade do Grand Canyon ou sobre a origem das formações ferríferas bandadas, esta é uma disputa científica viva, em que os dados ainda estão chegando. O diamante de US$ 20 deu início a uma conversa melhor do que aquela que ele foi comprado para encerrar.
Perguntas frequentes
Existe mesmo um oceano de água dentro da Terra?
Não, não existe um oceano líquido nem um mar subterrâneo dentro da Terra. O que existe é água ligada quimicamente, como hidroxila, dentro de minerais da zona de transição do manto, entre cerca de 410 e 660 km de profundidade. Somada ao longo desse enorme volume, a água pode igualar ou superar a massa dos oceanos da superfície, e é por isso que se fala em um “oceano dentro da Terra”, mas ela está aprisionada em rocha sólida que não pareceria molhada nem pingaria.
O que é a ringwoodita e por que ela importa?
A ringwoodita é uma forma de alta pressão da olivina que se forma na zona de transição, a cerca de 520 a 660 km de profundidade. Sua estrutura cristalina consegue reter água: em cristais cultivados em laboratório, foram medidos até cerca de 2,5% de água em peso. Como a ringwoodita e o mineral relacionado, a wadsleyita, conseguem armazenar muito mais água do que os minerais acima ou abaixo deles, elas fazem da zona de transição um potencial reservatório de água profunda. Ela foi detectada dentro de um diamante em 2009 e confirmada como a primeira amostra terrestre em 2014.
Como os cientistas sabem que há água tão fundo se ninguém consegue perfurar até lá?
De três maneiras. Raros diamantes “superprofundos” levam minerais da zona de transição até a superfície intactos, preservando sua água. Redes de sismômetros como o USArray detectam zonas de fusão parcial que indicam água sendo liberada nas profundezas do manto. E prensas de laboratório recriam as pressões da zona de transição para medir quanta água os minerais conseguem reter. O furo mais profundo já perfurado, Kola, chegou a apenas 12,26 km, longe de alcançar a zona de transição.
Quanta água há no manto da Terra, exatamente?
Ninguém sabe com precisão, e as estimativas se contradizem. Alguns estudos situam a zona de transição perto de 0,03% de água em peso (bem abaixo de um oceano), outros em 1 a 2% em peso (vários oceanos). Muitas análises chegam perto da massa de um oceano, em média, distribuída de forma desigual. O muito citado “três vezes os oceanos” é uma extrapolação condicional de 2014, e não uma medição.
A água do manto veio da superfície ou da formação da Terra?
Provavelmente de ambas, mas agora há evidência direta de reciclagem da superfície. Um estudo de 2024 com isótopos de potássio ligou a água da zona de transição sob o nordeste da Ásia à laje subductada do Pacífico, mostrando que a água da superfície é levada para o manto profundo pela tectônica de placas ao longo do tempo geológico.
