TEMPO GEOLÓGICO

A Terra é muito antiga - 4,5 bilhões de anos ou mais - de acordo com estimativas recentes. Este vasto período de tempo, chamado tempo geológico pelos cientistas da terra, é difícil de compreender nas unidades de tempo familiares de meses e anos, ou mesmo séculos. Como então os cientistas calculam o tempo geológico e por que eles acreditam que a Terra é tão antiga? Grande parte do segredo da idade da Terra está encerrada em suas rochas, e nossa busca secular pela chave levou ao início e alimentou o crescimento da ciência geológica.

As especulações da humanidade sobre a natureza da Terra inspiraram muito do folclore e lenda das primeiras civilizações, mas às vezes havia lampejos de percepção. O antigo historiador Heródoto, no século V aC, fez uma das primeiras observações geológicas registradas. Depois de encontrar conchas fósseis no interior do que hoje são partes do Egito e da Líbia, ele inferiu corretamente que o Mar Mediterrâneo já se estendia muito mais ao sul. Poucos acreditaram nele, no entanto, nem a ideia pegou. No século 3 aC, Eratóstenes descreveu uma Terra esférica e até calculou seu diâmetro e circunferência, mas o conceito de uma Terra esférica estava além da imaginação da maioria dos homens. Há apenas 500 anos, os marinheiros a bordo do Santa Mariaimplorou a Colombo que voltasse para que não navegassem para fora da "borda" da Terra. Opiniões e preconceitos semelhantes sobre a natureza e a idade da Terra aumentaram e diminuíram ao longo dos séculos. A maioria das pessoas, no entanto, parece ter tradicionalmente acreditado que a Terra é muito jovem – que sua idade pode ser medida em termos de milhares de anos, mas certamente não em milhões.

A evidência de uma Terra antiga está escondida nas rochas que formam a crosta e a superfície da Terra. As rochas não têm todas a mesma idade - ou quase - mas, como as páginas de uma longa e complicada história, elas registram os eventos que moldaram a Terra e a vida do passado. O registro, no entanto, está incompleto. Muitas páginas, especialmente nas primeiras partes, estão faltando e muitas outras estão esfarrapadas, rasgadas e difíceis de decifrar. Mas as páginas são preservadas o suficiente para recompensar o leitor com relatos de episódios surpreendentes que certificam que a Terra tem bilhões de anos.

Duas escalas são usadas para datar esses episódios e para medir a idade da Terra: uma escala de tempo relativa, baseada na sequência de estratificação das rochas e a evolução da vida, e a escala de tempo radiométrica, baseada na radioatividade natural de substâncias químicas. elementos em algumas rochas. Uma explicação da escala relativa destaca eventos no crescimento da própria ciência geológica; a escala radiométrica é um desenvolvimento mais recente emprestado das ciências físicas e aplicado a problemas geológicos.

ESCALA DE TEMPO RELATIVA

No final do século 18, a névoa de fantasia e misticismo que tendia a obscurecer a verdadeira natureza da Terra estava sendo varrida. Estudos cuidadosos de cientistas mostraram que as rochas tinham origens diversas. Algumas camadas rochosas, contendo restos fósseis claramente identificáveis ​​de peixes e outras formas de vida animal e vegetal aquática, originalmente formadas no oceano. Outras camadas, constituídas por grãos de areia limpos pelas ondas, obviamente formadas como depósitos de praia que marcavam as costas de mares antigos. Certas camadas estão na forma de bancos de areia e bancos de cascalho - detritos de rocha espalhados pela terra por riachos. Algumas rochas já foram fluxos de lava ou leitos de cinzas e cinzas lançados de vulcões antigos; outras são porções de grandes massas de rocha outrora derretida que esfriou muito lentamente muito abaixo da superfície da Terra.

Em locais onde as camadas de rochas são contorcidas, as idades relativas das camadas podem ser difíceis de determinar. Vista perto de Copiapó, Chile.

Entre os anos de 1785 e 1800, James Hutton e William Smith avançaram o conceito de tempo geológico e fortaleceram a crença em um mundo antigo. Hutton, um geólogo escocês, primeiro propôs formalmente o princípio fundamental usado para classificar as rochas de acordo com suas idades relativas. Ele concluiu, depois de estudar rochas em muitos afloramentos, que cada camada representava um intervalo específico de tempo geológico. Além disso, ele propôs que onde quer que camadas não contorcidas fossem expostas, a camada inferior era depositada primeiro e, portanto, era a camada mais antiga exposta; cada camada sucessiva, até a mais alta, era progressivamente mais jovem.

Hoje, tal proposta parece ser bastante elementar, mas, há quase 200 anos, representou um grande avanço no raciocínio científico ao estabelecer uma base racional para medições de tempo relativo. No entanto, ao contrário da datação de anéis de árvores - em que cada anel é uma medida de 1 ano de crescimento - nenhuma taxa precisa de deposição pode ser determinada para a maioria das camadas de rocha. Portanto, a duração real do tempo geológico representado por qualquer camada é geralmente desconhecida ou, na melhor das hipóteses, uma questão de opinião.

Um paleontólogo do US Geological Survey examinando os ossos fósseis de Paleoparadoxia, um mamífero aquático que viveu cerca de 14 milhões de anos atrás.

William "Strata" Smith, engenheiro civil e agrimensor, conhecia bem as áreas do sul da Inglaterra onde "calcário e xisto são camadas como fatias de pão com manteiga". Seu hobby de coletar e catalogar conchas fósseis dessas rochas levou à descoberta de que certas camadas continham fósseis ao contrário de outras camadas. Usando esses fósseis-chave ou índices como marcadores, Smith pôde identificar uma camada específica de rocha onde quer que estivesse exposta. Como os fósseis realmente registram o desenvolvimento lento, mas progressivo da vida, os cientistas os usam para identificar rochas da mesma idade em todo o mundo.

A partir dos resultados dos estudos sobre as origens dos diversos tipos de rochas (petrologia), aliados aos estudos de estratificação de rochas (estratigrafia) e da evolução da vida (paleontologia), os geólogos reconstroem a sequência de eventos que moldou a superfície da Terra. Seus estudos mostram, por exemplo, que durante um determinado episódio a superfície da terra foi elevada em uma parte do mundo para formar altos planaltos e cadeias de montanhas. Após o soerguimento do terreno, as forças da erosão atacaram as terras altas e os detritos rochosos erodidos foram transportados e redepositados nas terras baixas. Durante o mesmo intervalo de tempo em outra parte do mundo, a superfície da terra diminuiu e foi coberta pelos mares. Com o afundamento da superfície terrestre, os sedimentos foram depositados no fundo do oceano.

Eventos recorrentes como a construção de montanhas e a invasão do mar, dos quais as próprias rochas são registros, compreendem unidades de tempo geológico, embora as datas reais dos eventos sejam desconhecidas. Em comparação, a história da humanidade é organizada de forma semelhante em unidades relativas de tempo. Falamos de eventos humanos como ocorrendo BC ou AD – amplas divisões de tempo. Vãos mais curtos são medidos pelas dinastias do antigo Egito ou pelos reinados de reis e rainhas na Europa. Os geólogos fizeram a mesma coisa com o tempo geológico, dividindo a história da Terra em Eras – grandes extensões baseadas no caráter geral da vida que existia durante esses tempos – e Períodos – períodos mais curtos baseados em parte em evidências de grandes distúrbios da Terra. crosta.

O Wingate Sandstone é uma formação marrom-avermelhada que consiste em grande parte de areia soprada pelo vento que se acredita ter se acumulado como dunas do deserto na região de Four Corners, no sudoeste dos Estados Unidos, há cerca de 200 milhões de anos. A erosão desta formação geralmente produz falésias verticais. Vista perto de Gateway, Colorado.

Os nomes usados ​​para designar as divisões do tempo geológico são uma fascinante mistura de palavras que marcam destaques no desenvolvimento histórico da ciência geológica nos últimos 200 anos. Quase todos os nomes significam a aceitação de um novo conceito científico - um novo degrau na escada do conhecimento geológico.

Os exemplos a seguir mostram como as próprias camadas de rocha são usadas como uma escala de tempo relativa:

• Um diagrama correlaciona ou combina unidades rochosas de três localidades dentro de uma pequena área por meio de seções geológicas compiladas a partir de resultados de estudos de campo.

• Outro diagrama (212K) é uma seção geológica composta, bastante simplificada.

ESCALA DE TEMPO RADIOMÉTRICA

A descoberta do decaimento radioativo natural do urânio em 1896 por Henry Becquerel, o físico francês, abriu novas perspectivas na ciência. Em 1905, o físico britânico Lord Rutherford - após definir a estrutura do átomo - fez a primeira sugestão clara para o uso da radioatividade como ferramenta para medir o tempo geológico diretamente; pouco depois, em 1907, o professor BB Boltwood, radioquímico da Universidade de Yale, publicou uma lista de idades geológicas baseadas na radioatividade. Embora as idades de Boltwood tenham sido revisadas desde então, elas mostraram corretamente que a duração do tempo geológico seria medida em termos de centenas a milhares de milhões de anos.

Um técnico do US Geological Survey usa um espectrômetro de massa para determinar as proporções de isótopos de neodímio contidos em uma amostra de rocha ígnea.

Os 40 anos seguintes foram um período de expansão da pesquisa sobre a natureza e o comportamento dos átomos, levando ao desenvolvimento da fissão e fusão nucleares como fontes de energia. Um subproduto dessa pesquisa atômica tem sido o desenvolvimento e o refinamento contínuo dos vários métodos e técnicas usados ​​para medir a idade dos materiais da Terra. A datação precisa foi realizada desde 1950.

Um elemento químico consiste em átomos com um número específico de prótons em seus núcleos, mas diferentes pesos atômicos devido a variações no número de nêutrons. Átomos do mesmo elemento com diferentes pesos atômicos são chamados de isótopos. O decaimento radioativo é um processo espontâneo no qual um isótopo (o pai) perde partículas de seu núcleo para formar um isótopo de um novo elemento (o filho). A taxa de decaimento é convenientemente expressa em termos de meia-vida de um isótopo, ou o tempo que leva para metade de um isótopo radioativo específico em uma amostra decair. A maioria dos isótopos radioativos tem taxas rápidas de decaimento (ou seja, meias-vidas curtas) e perdem sua radioatividade em poucos dias ou anos. Alguns isótopos, no entanto, decaem lentamente, e vários deles são usados ​​como relógios geológicos.

Isótopo Pai	Produto Filha Estável	Valores de meia-vida atualmente aceitos
Urânio-238	Chumbo-206	4,5 bilhões de anos
Urânio-235	Chumbo-207	704 milhões de anos
Tório-232	Chumbo-208	14,0 bilhões de anos
Rubídio-87	Estrôncio-87	48,8 bilhões de anos
Potássio-40	Argônio-40	1,25 bilhão de anos
Samário-147	Neodímio-143	106 bilhões de anos

A expressão matemática que relaciona o decaimento radioativo ao tempo geológico é chamada de equação da idade e é:

A datação de rochas por esses cronometristas radioativos é simples em teoria, mas os procedimentos de laboratório são complexos. Os números de isótopos pai e filho em cada amostra são determinados por vários tipos de métodos analíticos. A principal dificuldade está em medir precisamente quantidades muito pequenas de isótopos.

O método potássio-argônio pode ser usado em rochas tão jovens quanto alguns milhares de anos, bem como nas rochas mais antigas conhecidas. O potássio é encontrado na maioria dos minerais formadores de rocha, a meia-vida de seu isótopo radioativo potássio-40 é tal que quantidades mensuráveis ​​de argônio (filha) se acumularam em minerais contendo potássio de quase todas as idades, e as quantidades de potássio e argônio isótopos podem ser medidos com precisão, mesmo em quantidades muito pequenas. Sempre que possível, dois ou mais métodos de análise são usados ​​no mesmo espécime de rocha para confirmar os resultados.

Outro importante relógio atômico usado para datação é baseado no decaimento radioativo do isótopo carbono-14, que tem meia-vida de 5.730 anos. O carbono-14 é produzido continuamente na atmosfera superior da Terra como resultado do bombardeio de nitrogênio por nêutrons de raios cósmicos. Esse radiocarbono recém-formado se mistura uniformemente com o carbono não radioativo no dióxido de carbono do ar e, eventualmente, encontra seu caminho em todas as plantas e animais vivos. Com efeito, todo carbono em organismos vivos contém uma proporção constante de radiocarbono para carbono não radioativo. Após a morte do organismo, a quantidade de radiocarbono diminui gradualmente à medida que reverte para nitrogênio-14 por decaimento radioativo. Ao medir a quantidade de radioatividade restante em materiais orgânicos, a quantidade de carbono-14 nos materiais pode ser calculada e a hora da morte pode ser determinada. Por exemplo, se o carbono de uma amostra de madeira contém apenas metade do carbono-14 de uma planta viva, a idade estimada da madeira velha seria de 5.730 anos.

O relógio de radiocarbono tornou-se uma ferramenta extremamente útil e eficiente para datar os episódios importantes da pré-história e história recente do homem, mas devido à meia-vida relativamente curta do carbono-14, o relógio pode ser usado para datar eventos que ocorreram lugar apenas nos últimos 50.000 anos.

O seguinte é um grupo de rochas e materiais que foram datados por vários métodos de relógio atômico:

Amostra	Idade aproximada em anos
Envoltórios de pano de um touro mumificado Amostras retiradas de uma pirâmide em Dashur, Egito. Esta data está de acordo com a idade da pirâmide estimada a partir de registros históricos	2.050
Carvão Amostra, recuperada do leito de cinzas perto do Lago Crater, Oregon, é de uma árvore queimada na violenta erupção do Monte Mazama que criou o Lago Crater. Esta erupção cobriu vários Estados com cinzas, proporcionando aos geólogos um excelente fuso horário.	6.640
Carvão Amostra coletada no local "Marmes Man" no sudeste de Washington. Acredita-se que este abrigo rochoso esteja entre os mais antigos locais habitados conhecidos na América do Norte	10.130
madeira de abeto Amostra do leito florestal de Two Creeks perto de Milwaukee, Wisconsin, data de um dos últimos avanços da camada de gelo continental nos Estados Unidos.	11.640
Bispo Tuff Amostras coletadas de cinzas vulcânicas e pedra-pomes que cobrem detritos glaciais em Owens Valley, Califórnia. Este episódio vulcânico fornece um importante dado de referência na história glacial da América do Norte.	700.000
Cinza vulcanica Amostras coletadas de estratos em Olduvai Gorge, na África Oriental, que intercalam os restos fósseis de Zinjanthropus e Homo habilis – possíveis precursores do homem moderno.	1.750.000
Monzonita Amostras de rocha com cobre da vasta mina a céu aberto em Bingham Canyon. Utá.	37.500.000
Monzonita de quartzo Amostras coletadas em Half Dome, Yosemite National Park, Califórnia.	80.000.000
Granito Conway Amostras coletadas de Redstone Quarry nas Montanhas Brancas de New Hampshire.	180.000.000
Riolito Amostras coletadas em Mount Rogers, o ponto mais alto da Virgínia.	820.000.000
Pikes Peak Granito Amostras coletadas no topo de Pikes Peak, Colorado.	1.030.000.000
Gneisse Acredita-se que amostras de afloramentos na área da Carélia no leste da Finlândia representem as rochas mais antigas da região do Báltico.	2.700.000.000
O Granito Velho Amostras de afloramentos no Transvaal, África do Sul. Essas rochas invadem rochas ainda mais antigas que não foram datadas.	3.200.000.000
Morton Gnaiss [ver Nota do Editor ] Acredita-se que amostras de afloramentos no sudoeste de Minnesota representem algumas das rochas mais antigas da América do Norte.	3.600.000.000

As amostras de carbono são convertidas em gás acetileno por combustão em uma linha de vácuo. O gás acetileno é então analisado em um espectrômetro de massa para determinar sua composição isotópica de carbono.

Intercalar a escala de tempo relativa com a escala de tempo atômica apresenta alguns problemas porque apenas certos tipos de rochas, principalmente a variedade ígnea, podem ser datadas diretamente por métodos radiométricos; mas essas rochas normalmente não contêm fósseis. Rochas ígneas são aquelas como granito e basalto que cristalizam a partir de material fundido chamado "magma".

Quando as rochas ígneas cristalizam, os minerais recém-formados contêm várias quantidades de elementos químicos, alguns dos quais possuem isótopos radioativos. Esses isótopos decaem dentro das rochas de acordo com suas taxas de meia-vida, e selecionando os minerais apropriados (aqueles que contêm potássio, por exemplo) e medindo as quantidades relativas de isótopos pais e filhos neles, a data em que a rocha cristalizou pode seja determinado. A maioria das grandes massas rochosas ígneas do mundo foram datadas dessa maneira.

A maioria das rochas sedimentares, como arenito, calcário e xisto, estão relacionadas à escala de tempo radiométrica, enquadrando-as dentro de fusos horários determinados pela datação de rochas ígneas adequadamente selecionadas, como mostrado por um exemplo hipotético .

Literalmente milhares de materiais datados estão agora disponíveis para uso em vários episódios da história da Terra dentro de fusos horários específicos. Muitos pontos na escala de tempo estão sendo revisados, no entanto, à medida que o comportamento dos isótopos na crosta terrestre é mais claramente compreendido. Assim, a ilustração gráfica da escala de tempo geológico, mostrando tanto o tempo relativo quanto o tempo radiométrico, representa apenas o estado atual do conhecimento. Certamente, revisões e modificações virão à medida que as pesquisas continuarem a melhorar nosso conhecimento da história da Terra.

IDADE DA TERRA

Até agora, os cientistas não encontraram uma maneira de determinar a idade exata da Terra diretamente das rochas terrestres porque as rochas mais antigas da Terra foram recicladas e destruídas pelo processo de placas tectônicas. Se houver alguma das rochas primordiais da Terra em seu estado original, elas ainda não foram encontradas. No entanto, os cientistas conseguiram determinar a idade provável do Sistema Solar e calcular uma idade para a Terra assumindo que a Terra e o resto dos corpos sólidos do Sistema Solar se formaram ao mesmo tempo e são, portanto, de a mesma idade.

As idades das rochas da Terra e da Lua e dos meteoritos são medidas pelo decaimento de isótopos radioativos de longa duração de elementos que ocorrem naturalmente em rochas e minerais e que decaem com meias-vidas de 700 milhões a mais de 100 bilhões de anos para isótopos estáveis ​​de outros elementos. Essas técnicas de datação, que estão firmemente fundamentadas na física e são conhecidas coletivamente como datação radiométrica, são usadas para medir a última vez que a rocha que está sendo datada foi derretida ou perturbada o suficiente para rehomogeneizar seus elementos radioativos.

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Rochas antigas com mais de 3,5 bilhões de anos são encontradas em todos os continentes da Terra. As rochas mais antigas da Terra encontradas até agora são as Acasta Gneisses no noroeste do Canadá, perto do Great Slave Lake (4,03 Ga) e as rochas Isua Supracrustal no oeste da Groenlândia (3,7 a 3,8 Ga), mas rochas bem estudadas quase tão antigas também são encontradas em o Vale do Rio Minnesota e o norte de Michigan (3,5-3,7 bilhões de anos), na Suazilândia (3,4-3,5 bilhões de anos) e na Austrália Ocidental (3,4-3,6 bilhões de anos). [Ver Nota do Editor.] Essas rochas antigas foram datadas por vários métodos de datação radiométrica e a consistência dos resultados dá aos cientistas a confiança de que as idades estão corretas em alguns por cento. 

Uma característica interessante dessas rochas antigas é que elas não são de nenhum tipo de "crosta primordial", mas são fluxos de lava e sedimentos depositados em águas rasas, uma indicação de que a história da Terra começou bem antes dessas rochas serem depositadas. Na Austrália Ocidental, cristais únicos de zircão encontrados em rochas sedimentares mais jovens têm idades radiométricas de até 4,3 bilhões de anos, tornando esses minúsculos cristais os materiais mais antigos encontrados na Terra até agora. As rochas geradoras desses cristais de zircão ainda não foram encontradas. As idades medidas para as rochas e cristais mais antigos da Terra mostram que a Terra tem pelo menos 4 anos. 3 bilhões de anos, mas não revelam a idade exata da formação da Terra. A melhor idade para a Terra (4,54 Ga) é baseada em pistas antigas, presumidas de estágio único, juntamente com as proporções de Pb em troilita de meteoritos de ferro, especificamente o meteorito Canyon Diablo. Além disso, grãos minerais (zircão) com idades U-Pb de 4,4 Ga foram recentemente relatados em rochas sedimentares no centro-oeste da Austrália. A Lua é um planeta mais primitivo que a Terra porque não foi perturbado pelas placas tectônicas; assim, algumas de suas rochas mais antigas são mais abundantes. Apenas um pequeno número de rochas foi devolvido à Terra pelas seis missões Apollo e três Luna. Essas rochas variam muito em idade, um reflexo de suas diferentes idades de formação e suas histórias subsequentes. As rochas lunares datadas mais antigas, no entanto, têm idades entre 4,4 e 4 anos. 5 bilhões de anos e fornecem uma idade mínima para a formação do nosso vizinho planetário mais próximo. 

Milhares de meteoritos, que são fragmentos de asteróides que caem na Terra, foram recuperados. Esses objetos primitivos fornecem as melhores idades para o tempo de formação do Sistema Solar. São mais de 70 meteoritos, de diferentes tipos, cujas idades foram medidas por meio de técnicas de datação radiométrica. Os resultados mostram que os meteoritos e, portanto, o Sistema Solar, se formaram entre 4,53 e 4,58 bilhões de anos atrás. A melhor idade para a Terra não vem da datação de rochas individuais, mas de considerar a Terra e os meteoritos como parte do mesmo sistema evolutivo no qual a composição isotópica do chumbo, especificamente a proporção de chumbo-207 para chumbo-206, muda ao longo do tempo devido a a decaimento do urânio-235 radioativo e do urânio-238, respectivamente. 

Os cientistas usaram essa abordagem para determinar o tempo necessário para que os isótopos nos minérios de chumbo mais antigos da Terra, dos quais existem apenas alguns, evoluam de sua composição primordial, medida em fases livres de urânio de meteoritos de ferro, para suas composições em o tempo em que esses minérios de chumbo se separaram de seus reservatórios do manto. Esses cálculos resultam em uma idade da Terra e dos meteoritos e, portanto, do Sistema Solar, de 4,54 bilhões de anos com uma incerteza de menos de 1%. Para ser mais preciso, esta idade representa a última vez que os isótopos de chumbo foram homogêneos em todo o Sistema Solar interior e o tempo em que o chumbo e o urânio foram incorporados aos corpos sólidos do Sistema Solar. A idade de 4.

Para informações adicionais sobre este assunto, veja The Age of the Earth , de G. Brent Dalrymple, publicado pela Stanford University Press (Stanford, Califórnia) em 1991 (492 p.).