Evolução e diferenciação planetária com base na analogia entre os processos geológicos na Terra e os processos noutros corpos planetários Olavo Diogo Azevedo Sousa Mestrado em Geologia Departamento de Geociências, Ambiente e Ordenamento do Território 2012 Orientador Maria Ângela de Carvalho Fernandes Almeida, professora auxiliar da Faculdade de Ciências da Universidade do Porto Todas as correções determinadas pelo júri, e só essas, foram efetuadas. O Presidente do Júri, Porto, ______/______/_________ 4                                Agradecimentos     Agradecimentos     Após  um  ano  de  intenso  trabalho  e  de  muitos  altos  e  baixos  a  dissertação  encontra-­‐se   finalmente  concluída.  Mas  este  trabalho  apenas  foi  conseguido  com  a  ajuda  e  suporte  de   algumas  pessoas,  as  quais  estes  agradecimentos  ficam  dedicados  e  que  se  seguem.     Um  especial  obrigado  ao  Pedro  Guilherme  de  Azevedo  e  Silva  Fernandes  que  me   ajudou  o  longo  do  trabalho  e  acelerou  a  sua  conclusão  e  pelo  apoio  dado.     Agradeço  também  ao  Vitor  Meirinho  Moura  que  contribuiu  para  que  esta  dissertação   se  tornasse  mais  rica  em  conteúdo.     Um   grande   obrigado   à   Doutora   Professora   Maria   Ângela   de   Carvalho   Fernandes   Almeida   do   Departamento   de   Geociências,   Ambiente   e   Ordenamento   do   Território   da   Faculdade   de   Ciências   da   Universidade   do   Porto   que   orientou   esta   dissertação   e   me   acompanhou  mostrando-­‐me  sempre  o  melhor  caminho  a  seguir.     Mas  em  especial  quero  agradecer  aos  meus  pais  porque  sem  eles  não  estaria  aqui.  Foi   graças  a  eles  que  consegui  chegar  este  patamar.  Por  me  apoiarem  ao  longo  da  vida  e  por  me   ajudarem  sempre  que  necessitei. Olavo  Sousa   5 6        Índice   Índice   Resumo  ..........................................................................................................................  23   Capítulo  1  –  Objetivos  e  introdução  histórica  ................................................................  27   1.1  –  A  origem  do  universo  .......................................................................................  30   1.2  –  Formação  do  sistema  solar  ...............................................................................  31   Capítulo  2  –  Métodos  de  estudo  dos  planetas  ..............................................................  35   2.1  –  Deteção  Remota  ...............................................................................................  37   2.1.1  –  Elementos  de  imagem  ............................................................................  39   2.1.2  –  Elementos  de  terreno  .............................................................................  42   2.1.3  –  Mapeamento  litológico  ..........................................................................  46   2.1.4  –  Assinatura  espectral  das  rochas  .............................................................  48   2.2  –  Outros  métodos  de  estudo  ..............................................................................  49   2.2.1  –  Datação  absoluta  ou  isotópica  ...............................................................  50   2.2.1.1  –  Classificação  e  regras  de  Goldschimdt  .....................................  52   2.2.1.2  –  Cronómetros  Sm-­‐Nd  e  Hf-­‐W  ....................................................  55   2.2.2  –  Escala  do  tempo  geológico  .....................................................................  58   2.2.3  –  Sismologia  ..............................................................................................  61   Capítulo  3  –  Marte  e  a  Lua...e  a  Terra  como  comparação  .............................................  63   3.1  –  Crusta  e  litosfera  ..............................................................................................  66   3.1.1  –  Terra  .......................................................................................................  66   3.1.1.1  –  Geoquímica  e  mineralogia  .......................................................  67   3.1.1.2  –  Geofísica  ..................................................................................  70   3.1.2  –  Marte  ......................................................................................................  72   3.1.2.1   –   Formação   e   evolução   da   crusta.   Tectónica   de   placas   ou   litosfera  estagnada?  .......................................................................................................  74   3.1.2.2  –  Litologia  e  geoquímica  .............................................................  82   3.1.3  –  Lua  ..........................................................................................................  85   3.1.3.1  –  Composição  mineralógica  e  química  .......................................  88   3.1.3.2  –  Dados  geofísicos  ......................................................................  97   3.1.4  –  Cronómetro  Sm-­‐Nd  ....................................................................  99   3.2  –  Manto  e  astenosfera  .....................................................................................  106   3.2.1  –  Terra  ....................................................................................................  106   3.2.1.1  –  Modelos  de  convecção  e  as  superplumas  ............................  108   3.2.1.2  –  Composição  química  e  mineralógica  ....................................  112   3.2.2  –  Marte  ...................................................................................................  114   3.2.2.1  –  Superpluma  em  Marte  e  a  presença  de  água  .......................  114   3.2.2.2  –  Potássio,  Tório  e  Urânio  .......................................................  118   3.2.2.3  –  Composição  mineralógica  e  química  ....................................  119   3.2.3  –  Lua  .......................................................................................................  125   3.2.3.1  –  Teorias  sobre  o  manto  lunar  .................................................  125   3.2.3.2  –  Geoquímica  e  mineralogia  ....................................................  130   3.3  –  Núcleo  ...........................................................................................................  139   3.3.1  –  Terra  ....................................................................................................  139 Olavo  Sousa   7     3.3.1.1  –  Estrutura  do  núcleo  ..............................................................  139   3.3.1.2  –  Composição  do  núcleo  .........................................................  144   3.3.1.3  –  Formação  do  núcleo  terrestre  ..............................................  145   3.3.2  –  Marte  ...................................................................................................  146   3.3.2.1  –  Formação  do  núcleo  marciano  e  a  ausência  de  um  dínamo  146   3.3.2.2  –  Composição  química  do  núcleo  ............................................  149   3.3.3  –  Lua  .......................................................................................................  150   3.3.3.1  –  Composição  do  núcleo  e  teorias  do  dínamo  ........................  150   3.3.4  –  Cronómetro  Hf-­‐W  ................................................................................  153   Conclusão  ....................................................................................................................  160   Anexos  ........................................................................................................................  165   Referências  bibliográficas  ...........................................................................................  171 8        Índice   Índice  de  figuras   Figura  1  –  Representação  do  sistema  solar.  ..............................................................................  .27   Figura  2  –  Retrato  ilustrativo  de  James  Hutton.  ........................................................................  .29   Figura  3  –  Retrato  de  Georges  Lemaître.  ...................................................................................  .30   Figura  4  –  Modelo  ilustrando  a  evolução  do  sistema  solar.  ......................................................  .33   Figura  5  –  Ilustração  artística  do  disco  protoplanetário  durante  a  fase  de  acreção  planetária  .33   Figura  6  –  Satélite  Chandrayaan-­‐1,  a  orbitar  a  Lua  com  a  missão  de  realizar  deteção  remota.  .35   Figura  7  –  Satélite  ADM  –  Aeolus  (ADM  -­‐  Atmospheric  Dynamics  Mission)  orbitando  a  Terra   com  a  missão  de  providenciar  dados  sobre  as  massas  de  ar  que  varrem  a  Terra  para  uma   melhor  previsão  meteorológica.  ...............................................................................................  .35   Figura  8  –  Mars  Exploration  Rover  (MER)  com  o  objetivo  de  analisar  a  superfície  marciana  ao   nível  químico  e  físico.  ................................................................................................................  .35   Figura  9  –  Sputnik:  primeiro  satélite  artificial  terrestre.  ...........................................................  .37   Figura  10  –  Representação  do  número  de  satélites  que  atualmente  orbitam  a  Terra.  .............  .38   Figura  11  –  “Mesa”  situada  nos  planaltos  das  Guianas,  Venezuela.  .........................................  .43   Figura  12  –  Raio  iónico  versus  carga  iónica  para  elementos  da  tabela  periódica  agrupando-­‐as   em   elementos   compatíveis   e   incompatíveis;   HFS   =   High   Field   Strength,   LIL   =   Large   Ion   Lithophile,  LFS  =  Low  Field  Strength,  PGE  =  Platinum  Group  Elements.  ....................................  .55   Figura  13  –  Excerto  da  carta  estratigráfica  da  comissão  internacional  de  estratigrafia  lançada   em  setembro  de  2010.  ..............................................................................................................  .58   Figura  14  –  Modelo  da  escala  estratigráfica  de  Marte  ..............................................................  .59   Figura  15  –  Projeção  da  isócrona  Pb/Pb  da  Terra,  determinada  a  partir  de  valores  de  chumbo   radiogénico  de  cinco  meteoritos  (três  rochosos  e  dois  metálicos):  Canyon  Diablo,  Henbury;   Forest  City,  Modor  e  Nuevo  Laredo  (representados  como  quadrados  sobre  a  isócrona);  o   chumbo  encontrado  em  sedimentos  de  oceano  modernos  caem  sobre  a  isócrona  mostrando   que  a  Terra  e  os  meteoritos  estão  relacionados  geneticamente  e  são  da  mesma  idade.  As   linhas  a  tracejado  são  linhas  de  crescimento.  ...........................................................................  .60   Figura  16  –  Terra,  Marte  e  Lua  ..................................................................................................  .63   Figura  17  –  Os  quatro  subsistemas  da  Terra:  Hidrosfera,  Geosfera,  Atmosfera  e  Biosfera.  .....  .65   Figura  18  –  Comparação  entre  os  valores  médios  da  crusta  continental  e  da  crusta  oceânica   segundo  a  tabela  8.  ...................................................................................................................  .68   Figura  19  –  Ilustração  de  algumas  placas  tectónicas  principais.  ................................................  .71   Figura  20  –  Esquema  da  litosfera  oceânica  a  subductar  sob  a  litosfera  continental.  ................  .71 Olavo  Sousa   9     Figura  21  –  Comparação  da  estruturação  interna  entre  Terra  e  Marte;  valores  entre  parêntesis   são  referentes  à  espessura  da  camada.  .....................................................................................  .73   Figura  22  –  Projeção  3D  da  espessura  da  crusta  marciana  criada  a  partir  de  dados  obtidos  pelo   MGS;  corte  segundo  longitude  0ºE;  o  hemisfério  norte  está  localizado  no  lado  esquerdo  em   tons  de  branco  e  azul  enquanto  o  hemisfério  sul  encontra-­‐se  do  meio  para  a  direita  em  tons  de   verde,  amarelo  e  vermelho.  ......................................................................................................  .74   Figura  23  –  Taxa  de  crescimento  crustal  com  base  nas  temperaturas  iniciais  do  núcleo  e  manto   e  sua  evolução  ao  longo  do  tempo;  a)  –  a  temperatura  inicial  do  núcleo  e  manto  superior  após   acreção   de   Marte.   Observa-­‐se   que   o   núcleo   inicialmente   perde   calor   e   o   manto   consequentemente  aumenta  de  temperatura  por  receber  este  calor,  nos  primeiros  500  a  1000   Ma.  O  manto  posteriormente  arrefece  e  o  núcleo  poderá  reaquecer  por  alguns  milhões  de   anos  apenas  para  mais  tarde  arrefecer  também;  b)  –  a  taxa  de  produção  crustal  e  espessura   crustal  em  função  do  tempo  mostram  que  a  crusta  forma-­‐se  desde  muito  cedo,  possivelmente   quase   ao   mesmo   tempo   que   o   núcleo.   A   taxa   de   produção   crustal   diminui   com   o   espessamento   desta,   atingindo   a   espessura   de   ≈   120   Km,   o   mais   tardar,   aos   3   Ga   contabilizando  o  período  em  que  se  atinge  a  espessura  nos  modelos  apresentados.  A  linha  a   tracejado  longo  apresenta  um  quarto  modelo  onde  foi  considerado  uma  crusta  primordial  ao   contrário  dos  outros  três  modelos.  η  é  de  1021  Pars  para  todos  os  modelos.  A  taxa  de   ref produção  crustal  decresce  de  forma  acentuada  nos  primeiros  400  a  500  Ma.  Poderá  voltar  a   aumentar   durante   alguns   milhões   de   anos,   possivelmente,   devido   ao   reaquecimento   observado  no  núcleo;  c)  –  espessura  da  litosfera  estagnada  em  função  do  tempo.  A  litosfera   cresce  de  forma  muito  acelerada  até  aos  500  Ma  mantendo-­‐se  com  uma  espessura  constante   após  os  500  Ma.  A  litosfera  volta  a  aumentar  a  sua  espessura  aos  3,25  Ga  até  à  atualidade          ...................................................................................................................................................  .77   Figura  24  –  Variação  da  topografia  marciana  entre  os  hemisférios  sul  (a  verde,  amarelo  e   vermelho)  e  norte  (a  branco,  azul  claro,  azul  escuro  e  roxo);  note-­‐se  que  é  no  hemisfério  sul,   onde  se  localizam  os  maiores  vulcões  de  Marte,  que  também  se  observa  as  maiores  elevações   de  terreno  e  onde  se  encontram  a  maior  parte  das  crateras  de  impacto  correspondendo  aos   locais  onde  a  crusta  é  mais  espessa;  no  hemisfério  norte,  a  superfície  é  mais  lisa  e  com  menor   cota  pelo  que  a  crusta  é  mais  fina  (a  azul  e  roxo);  variação  da  espessura  da  crusta  e  relevo  (a   cinza  escuro)  na  parte  inferior  da  figura.  ...................................................................................  .79   Figura  25  –  Olympus  Mons,  maior  vulcão  do  sistema  solar,  em  vista  de  satélite  à  esquerda  e   vista  em  perfil  à  direita  (imagem  criada  digitalmente);  tem  um  diâmetro  de  600  km  e  22  km  de   altura.  ........................................................................................................................................  .80 10        Índice   Figura  26  –  Valle  Marineris  em  Marte,  10  vezes  mais  longo  e  profundo  e  20  vezes  mais  largo   que  o  Grand  Canyon,  longo  o  suficiente  para  percorrer  os  EUA  de  costa  a  costa.  ...................  .80   Figura  27  –  Imagens  de  satélite  mostrando  (a)  padrões  de  drenagem  dendríticos/paralelos  na   Terra  em  Nevada  e  (b)  padrão  de  drenagem  paralela  em  Marte;  a  semelhança  é  deveras   grande  entre  (a)  e  (b)  sugerindo  que  os  padrões  observados  em  Marte  tenham  resultado  da   escorrência  de  água.  ..................................................................................................................  .81   Figura  28  –  Marte  apresenta  variações  no  albedo  relacionadas  com  a  variação  na  composição   mineralógica,  segundo  MGS  TES.  ..............................................................................................  .82   Figura  29  –  Fotografia  de  uma  secção  de  lâmina  delgada  de  um  meteorito  de  Shergotty  que  se   crê  que  seja  uma  amostra  representativa  da  crusta  marciana.  ................................................  .82   Figura  30  –  Espectro  de  refletância  das  regiões  claras  versus  regiões  escuras  mostrando  uma   importante  diferença  na  variação  composicional;  isto  inclui  variações  no  estado  de  oxidação  do   ferro,  presença  de  piroxenas  e  existência  de  água  (H O)  e  hidróxidos  (OH).  ............................  .82   2 Figura  31  –  Comparação  entre  as  crustas  terrestres  e  os  hemisférios  marcianos  de  acordo  com   os  valores  da  tabela  12.  .............................................................................................................  .85   Figura  32  –  Mapa  da  Lua  baseado  em  dados  da  Clementine  por  Robert  Johnston  (1994).  ......  .87   Figura  33  –  Comparação  entre  a  Terra  e  a  Lua  relativamente  à  dimensão.  ..............................  .87   Figura   34   –   Painéis   superiores:   Zona   de   transição   solidus/liquidus.   Atentando   o   gráfico,   observa-­‐se  que  para  uma  profundidade  até  500  Km,  o  nível  de  pressão  controla  o  nível  de   cristalinidade  e  por  consequência  a  viscosidade  do  magma.  Painéis  inferiores:  Tendo  em  conta   a  densidade  dos  planetas  (Terra>  Marte>  Lua)  é  possível  ver  o  nível  de  cristalinidade  que  se   atinge  ao  longo  dos  500  km.  No  topo  situam-­‐se  os  oceanos  de  magma  totalmente  líquidos,   seguidos  de  alguns  níveis  de  cristalinidade  e  (no  caso  da  Terra)  material  totalmente  solidificado  ...................................................................................................................................................  .89   Figura  35  –  Diagrama  ternário  para  o  sistema  plagioclase  –  clinopiroxena  –  ortopiroxena  na   classificação  das  litologias  lunares  segundo  Stoffler  et  al.  (1980)  .............................................  .90   Figura  36  –  Exemplo  espectral  para  as  litologias  dos  picos  centrais  das  zonas  de  impactos.  Os   dados  foram  normalizados  para  0,75µm  para  enfatizar  a  banda  de  absorção  máfica.  Para  o   espectro  de  rochas  que  são  comparáveis  a  anortositos  noríticos,  anortositos  gabroicos  e   anortositos  troctolíticos,  a  mineralogia  máfica  é  ambígua  e  é  agrupada  em  duas  categorias   gerais  correlacionadas  com  a  abundância  de  plagioclase  (“GNTA1”  e  “GNTA2”)  .....................  .90   Figura  37  –  Mapas  das  litologias  dos  picos  centrais  sobrepostos  à  espessura  crustal  de  Zuber  et   al.  (1994)  Símbolos  e  cores  para  rochas  não  anortosíticas  foram  selecionados  de  modo  que   cada  cor  é  correlacionada  com  cada  mineral  máfico  identificado  (olivina,  piroxena  com  alto  e   baixo  teor  em  Ca  e  piroxena  de  composição  intermédia)  e  a  intensidade  da  cor  e  tamanho  do