segunda-feira, 5 de agosto de 2013

Tempo Geológico

Posso ouvir o vento passar
Assistir a onda bater
Mas o estrago que faz
A vida é curta pra ver ...

Essa letra de música da banda carioca Los Hermanos, composta pelo Rodrigo Amarante, ilustra bem a maneira como nós, seres humanos, percebemos o tempo.
Nossos referenciais de tempo são limitados. Concebemos o tempo em termos de eventos bem recentes. Somos capazes de imaginar o tempo transcorrido durante a história da humanidade, não mais que alguns séculos, e isso já nos parece muito tempo! Mas a idéia de um período de tempo que envolve milhões ou bilhões de anos se torna bastante abstrata para o nosso entendimento. Nossa espécie está nesse planeta há muito pouco tempo, não mais que 200 mil anos. E o que isso significa quando comparado aos 4,6 bilhões de anos de história da Terra?
De fato, a magnitude desse tempo profundo é muito difícil de ser compreendida por nós. Um meio de se tentar entender essa vastidão de tempo é imaginarmos um livro contendo 460.000 páginas, em que cada página contivesse 10.000 anos da história da Terra. Assim a página 1 relataria a formação da Terra, os primeiros organismos unicelulares surgiriam somente na página 70.000, as primeiras plantas terrestres estariam registradas a partir da página 418.000, os dinossauros apareceriam pela primeira vez na página 440.000 e o ser humano surgiria somente na página 459.600.
Esse livro é um exemplo de metáfora ou analogia que nos ajuda a começar a entender que a história da Terra envolve uma vastidão de tempo muito maior do que aquela que conhecemos e que podemos conceber. Chamamos de "Tempo Geológico" esse tempo profundo que foge aos nossos padrões de referência. Tal escala de tempo pode ser medida através de relógios naturais, bem menos óbvios para a nossa experiência, que refletem o ritmo da Terra. Esses relógios naturais são, entre outros, os movimentos dos continentes, o soerguimento de montanhas, o aumento e a diminuição dos níveis dos oceanos, e também, o surgimento e a extinção das espécies. Assim, cada rocha e cada fóssil existentes na crosta terrestre constituem-se em arquivos naturais que guardam os segredos de muitos eventos do passado e são ferramentas que podem nos ajudar a reconstituir a história do planeta.
Quando falamos em fósseis, logo nos lembramos dos já mencionados dinossauros. Na verdade, esses fascinantes animais são a porta de entrada para muitas crianças tomarem um primeiro contato com a ciência, já que todos nós temos uma curiosidade natural sobre nossa origem e sobre o passado da Terra. Mas a diversidade da vida no passado vai muito além dos dinossauros. Muito antes dessas criaturas reinarem no planeta, inúmeras formas de vida surgiram e se diversificaram, formando uma grande árvore da vida. A maioria delas já se extinguiu, mas algumas deixaram descendentes que ainda hoje habitam a Terra, como nós.

A coluna do tempo geológico

A coluna do tempo geológico, como vemos abaixo, é dividida em ons, Eras, Períodos e pocas. Essa divisão não é arbitrária, ela reflete grandes acontecimentos que ocorreram nas histórias geológica e biológica da Terra. Assim, os ons Arqueano e Proterozóico correspondem a grupos de rochas ígneas e metamórficas que formam grande volume da crosta continental, com um registro fóssil escasso, composto somente de seres microscópicos. No final do Proterozóico é que começaram a aparecer os primeiros seres multicelulares. Já o on Fanerozóico significa "vida visível", refletindo a fase em que a vida se tornou abundante no planeta.
Cada uma das três Eras do on Fanerózóico - Paleozóica, Mesozóica e Cenozóica - ilustra um momento especial da história da Terra e o limite entre as Eras é pautado por eventos de extinção em massa. Dentro da Era Paleozóica ("vida antiga") estão vários períodos. O nome Cambriano vem de Cambria, que é o nome latino para Gales, onde suas rochas foram primeiramente estudadas. Ordoviciano vem de Ordovices, que é o nome de uma antiga tribo celta. Siluriano homenageia a tribo dos Silures, que habitava uma região de Gales. Devoniano é uma homenagem a Devonshire, na Inglaterra onde estão expostas rochas dessa idade. O nome Carbonífero refere-se aos depósitos de carvões que se encontram acima das rochas devonianas. O nome Permiano foi dado porque as rochas desta idade situavam-se próximas à província de Perm, na Rússia. A Era Paleozóica termina com o maior evento de extinção em massa de todos os tempos.
A Era Mesozóica ("vida do meio"), inclui os períodos Triássico, Jurássico e Cretáceo. O nome Triássico tem a ver com a divisão em três camadas das rochas dessa idade na Alemanha, que se sobrepunham às rochas paleozóicas. Jurássico faz referência às montanhas Jura, na Suíça, já Cretáceo vem do termo latim Creta que significa giz, relativo às rochas da França e Inglaterra.
A Era Cenozóica significa "vida recente". Ela inicia depois da grande extinção que marcou o final do período Cretáceo. dividida em dois períodos: Paleógeno e Neógeno, cada um deles contendo épocas.

Modificado de Gradstein & Ogg, 1996

Ao nos depararmos com a coluna do tempo geológico, com suas divisões já bem estabelecidas, não nos damos conta de todo o conhecimento geológico e biológico que foi se acumulando ao longo dos séculos e que possibilitou a sua construção. Como a idade das rochas pôde ser estimada? Como os fósseis auxiliaram na tarefa de datação das rochas? Como se chegou à idéia de uma Terra muito antiga, com bilhões de anos? Como se chegou às idades que limitam cada período? Essas são algumas das questões que serão elucidadas nos próximos itens.

O Tempo Profundo

Até o final do século XVIII, a ciência ainda era muito influenciada pela religião e havia a crença de que a Terra era jovem, com não mais do que 6.000 anos de história. Essa idade havia sido estabelecida em 1650, pelo Arcebispo Ussher (religioso irlandês), que realizou um estudo baseando-se em todas as gerações apresentadas pela bíblia, desde Adão e Eva, e calculando seu tempo de duração. Assim, segundo Ussher, a Terra foi criada no ano de 4004 a.C., no dia 23 de outubro, um domingo.
Nessa época havia cientistas que não aceitavam essa abordagem com base nas escrituras bíblicas e que tentavam entender a dinâmica da terra por outros meios, com base na observação das rochas e dos fenômenos geológicos. Foi James Hutton que mudou a tradicional visão de uma Terra jovem para uma Terra "sem vestígio de um começo, sem perspectiva de um fim". Observando formações de rochas sedimentares da Escócia, Hutton percebeu que estas eram produto da erosão de outras rochas, mais antigas ainda, e que as formações geológicas eram produtos de eventos que ocorreram na história do planeta em um tempo muito superior àquele apontado por Ussher. Assim Hutton trouxe a tona o conceito de tempo profundo, um tempo de tal magnitude, que foge completamente aos padrões referenciais humanos.

Uniformitarismo

A base das interpretações de Hutton estava no princípio do Uniformitarismo, que assume que as leis da natureza não mudam através dos tempos, portanto, os mesmos fenômenos naturais que hoje são observados na Terra, também agiram no passado. Um dos pontos fortes do trabalho de Hutton foi o reconhecimento das discordâncias, que se caracterizam por superfícies erosivas separando dois pacotes de rochas, sendo o superior sempre formado por rochas sedimentares. Essas superfícies erosivas representam um hiato de tempo onde pode ter occorrido deposição de camadas que sofreram erosão posterior ou, então, um grande período em que não ocorreu deposição de sedimentos. Assim, o reconhecimento das inconformidades trouxe evidências incontestáveis para o entendimento do tempo profundo.
Charles Lyell, já no século XIX, baseou-se no princípio do Uniformitarismo para escrever sua obra "Princípios da Geologia" (1830), assumindo que os processos geológicos operaram lenta e gradualmente no passado da Terra, sem a ocorrência de grandes catástrofes. Segundo Lyell, "o presente é a chave para o passado".

Os princípios da Estratigrafia

Não só as estimativas de idade da Terra eram influenciadas pela Bíblia, como visto anteriormente, mas também os fósseis eram interpretados com base nas escrituras. Nesse contexto, os fósseis eram reconhecidos como restos de animais que foram vitimados pelo grande dilúvio universal, configurando-se como "testemunhas-chave" do dilúvio.
Foi a partir de estudos de alguns cientistas que não se contentavam com essas explicações simplistas sobre os fósseis é que esse cenário começou a se modificar.
Dentre esses cientistas podemos, primeiramente, citar Steno (Nicolaus Steno), considerado o "pai da estratigrafia".
Steno contribuiu de forma essencial no entendimento de como se dá o empilhamento das camadas de rochas sedimentares. Ele estabeleceu três princípios que até hoje continuam sendo a base da estratigrafia (ramo das geologia que estuda as sequências de camadas de rochas sedimentares - ou estratos - e a sua idade, buscando determinar os processos e eventos que as formaram). São eles:

Princípio da Superposição

Princípio da Horizontalidade Original

Princípio da Continuidade Lateral

Steno esclareceu como as rochas sedimentares eram depositadas, mas não respondeu como se poderia saber se duas camadas de rocha com a mesma litologia, aflorando em duas áreas geográficas distintas, por exemplo, tinham ou não a mesma idade.
Vamos ilustrar esse fato com a seguinte situação: em uma região no sul da América do Sul, um geólogo encontra uma sequência de 2 m de rochas composta por uma camada de calcário sobre uma camada de arenito. Este geólogo viaja para o Sul da frica e lá encontra camadas praticamente idênticas de calcário e arenito com a mesma espessura de 2 m.
Ele poderia afirmar que as duas sequências de rochas são contemporâneas, ou seja, foram depositadas em um mesmo tempo e, portanto fazem parte de um mesmo sistema deposicional? A resposta é NÃO! Esse "não" deve-se ao fato de que os mesmos tipos de rochas foram depositados em praticamente todos os tempos da história da Terra. Assim, as rochas da figura até poderiam ser contemporâneas, se fossem produto de um mesmo evento de deposição de sedimentos que ocorreu na época em que América do Sul e frica estavam unidas. Mas, por outro lado, as rochas da América do Sul poderiam, por exemplo, ter sido depositadas no período Permiano, enquanto as rochas, praticamente idênticas, do sul da frica, ter sido depositadas no período Cretáceo. Neste caso, os dois pacotes de rochas estariam separados por um "abismo" de mais de 100 milhões de anos.
Portanto, correlações temporais entre camadas de rochas não são possíveis de serem feitas com base apenas na litologia (composição mineral, tamanho dos grãos). Como, então, resolver essa questão? aí que os fósseis entram em cena, como vamos ver a seguir.
Mas antes de falarmos nos fósseis, vamos lembrar de dois outros princípios, postulados por James Hutton, que, junto com os princípios de Steno, auxiliam no entendimento da sequência de empilhamento das rochas. São eles:

Princípio das relações de corte

Princípio das inclusões


O uso dos fósseis como ferramentas para Datação Relativa

A partir dos princípios postulados por Steno e Hutton, outros cientistas começaram a tentar entender como os fósseis contidos nas rochas sedimentares poderiam ser usados para auxiliar na estratigrafia.
Dois novos princípios, utilizando fósseis como ferramentas, se somaram aos princípios da estratigrafia. Esses princípios foram concebidos por Georges Cuvier, um paleontólogo/anatomista de vertebrados francês, e Willian Smith, um agrimensor inglês.
Cuvier, considerado o "Pai da Anatomia Comparada", enquanto prospectava fósseis de vertebrados nos arredores de Paris, começou a perceber que cada camada de rochas abrigava um conjunto de fósseis diferente das outras camadas. Verificou, também, que os fósseis das camadas mais inferiores apresentavam características mais primitivas do que os fósseis das camadas mais superiores, os quais se assemelhavam mais aos animais atuais. Segundo Cuvier, essa "Sucessão Faunística" era produto de extinções catastróficas que aconteceram de tempos em tempos na história da Terra. Assim, depois de cada evento de extinção, que dizimava a fauna inteira de uma determinada área, novos organismos provenientes de outros lugares ocupavam os ambientes vagos. Essa teoria de Cuvier é chamada de Catastrofismo.

Princípio da Sucessão Faunística ou Sucessão Fóssil

Willian Smith, enquanto realizava seus trabalhos de agrimensor em canais e minas nas propriedades rurais da Inglaterra, percebeu que as mesmas sucessões de rochas sedimentares afloravam em distintas regiões e que cada camada de rocha continha determinados fósseis que não eram encontrados nas outras camadas. Assim, ele postulou que as camadas de rochas encontradas em áreas geograficamente distantes podiam ser correlacionadas pelo seu conteúdo fossilífero.

Princípio da Correlação Fóssil

As correlações temporais (correlações estratigráficas) entre camadas de rocha situadas a longa distância são realizadas com a utilização de fósseis (gêneros, espécies) que reúnem uma série de características especiais. Estes são chamados de fósseis-guia ou fósseis-índice. Além da grande distribuição geográfica (cosmopolitas), esses fósseis devem apresentar curta amplitude vertical (ter surgido e se extinguido rapidamente), devem ser facilmente identificáveis e devem ser abundantes. Os melhores fósseis-guia são organismos marinhos, de preferência, de hábito plantônico.
Assim, com o auxílio dos fósseis, estavam criadas as bases para um correto empilhamento das camadas de rochas e sua correlação temporal. Esse método é conhecido como Datação Relativa.

Datação absoluta

Os princípios de datação relativa, através do uso dos fósseis, permitiram, ainda no século XIX, o estabelecimento da coluna do tempo geológico. Esta foi primeiramente baseada em afloramentos de rochas sedimentares da Europa, sendo posteriormente estendida para outros continentes. Como já mencionado, os métodos de datação relativa possibilitam um correto empilhamento das rochas no tempo e a correlação de distintos pacotes de rochas, mas não fornecem dados para se saber a idade absoluta (em números) das rochas.
Foi só no início do século XX que uma nova metologia emergiu. Com a descoberta da radiatividade e de que alguns elementos químicos presentes nas rocha emitiam radiação a taxas constantes, foi desenvolvido o método de Datação Absoluta das Rochas. Para entendermos essa metodologia, vamos ter que compreender alguns conceitos sobre isótopos radiativos.

Isótopos radiativos e meia-vida

Na natureza, exsitem alguns elementos que apresentam isótopos, ou seja, elementos que apresentam o mesmo número atômico(Z), mas diferentes numeros de massa (A).
Um exemplo é o oxigênio, que possui três isótopos:
oxigênio 16 - 8 prótons e 8 neutrons (A = 16)
oxigênio 17 - 8 prótons e 9 neutrons (A = 17)
oxigênio 18 - 8 prótons e 10 neutrons (A = 18)

No caso do oxigênio, esses isótopos que existem na natureza são estáveis. Há porém, outos elementos que são instáveis na natureza e, devido a isso, têm a tendência a se transformarem em outro elemento mais estável. Esses são os chamados isótopos radiativos. Nessa transformação, denominada decaimento radiativo, radiação é emitida e calor é liberado. O decaimento radiativo, é um processo lento que ocorre a uma taxa constante chamada meia-vida.
Um dos mais conhecidos é o Carbono 14 (C14). O C14 é um dos isótopos do Carbono. O outro é o Carbono 12 (C12), muito mais abundante. O C12 apresenta 6 prótons e 6 neutros, enquanto o C14 apresenta 6 prótons e 8 neutrons. Como o C14 é instável, ele tem a tendência a se transformar em Nitrogênio 14 (N14). A cada meia-vida, metade dos átomos originais de C14 presentes em uma amostra vão se transformar em átomos de N14. A meia vida do C14 é de 5.730 anos. Isso significa que a cada 5.730 anos metade dos átomos do isótopo original (isótopo-pai) se transformará em átomos do isótopo-filho.
Como o C14 pode ser usado na datação de materiais orgânicos antigos, como, por exemplo, os ossos? A explicação é que os vegetais, ao realizarem a fotossíntese, absorvem CO2. Este CO2 é composto tanto de átomos de C12 (99%) quanto de C14. Os animais, que são consumidores na cadeia alimentar, incorporam em seus tecidos parte do carbono presente nos vegetais, na forma de glicose (C6H12O6), produzida através da fotossíntese. Ossos são tecidos vivos que acumulam carbono, seja na forma de C12 quanto de C14 e, portanto, a proporção de N14 em relação ao C14 em um osso antigo, nos fornecerá o número de meias-vidas transcorridas e, por conseqência, a idade daquele osso.
A datação por C14/N14 é utilizada em materiais não muito antigos, por exemplo em múmias egípcias com alguns poucos milhares de anos. Materias mais velhos que 70.000 anos não são passíveis de datação por C14. Por quê? Para responder a esssa questão, vamos lançar mão de uma analogia.
Imagine uma festa de aniversário em que é servida uma torta deliciosa. Todos os convidados recebem a sua fatia e resta uma última fatia no prato da torta. Cada convidado, depois de saborear a sua fatia, fica de olho na fatia que restou, mas ninguém tem coragem de pegar a fatia inteira, pois não "pega bem". Assim, um dos convidados se enche de coragem e corta metade da fatia, deixando a outra parte no prato. Um segundo convidado, vai lá e corta metade da metade da última fatia. Um terceiro convidado corta, então, a metade da metade da metade e assim por diante. Vai chegar um momento em que não há mais sequer um farelo da torta original no prato, como mostrado na figura abaixo. Cada fatia 1, 2, 3, 4, 5 e 6 corresponde à metade da espessura da fatia anterior.
Voltando aos isótopos, é exatamente isso que ocorre durante o decaimento radiativo. A cada meia-vida, metade dos átomos orignais (isótopos-pais) decai, transformando-se em isótopos-filhos. A tabela abaixo resume o que aconteceria com uma amostra contendo 1000 átomos de C14.

E assim por diante...
Se representarmos o decaimento radiativo na forma de um gráfico, vamos observar que a redução dos isótopos-pais é diretamente proporcional ao aumento dos isótopos-filhos ao longo do tempo transcorrido (meias-vidas).

Voltando à analogia da torta, fica mais claro agora, entender porque o C14 não se presta para datação de amostras mais antigas que 70.000 anos. Segundo a tabela acima, em 7 meias-vidas somente 7,875 (0,007875%) dos 1000 isótopos-pais permanecem na amostra.
Bom, se o C14, com sua meia-vida de 5.730 anos, não possibilita datação de materiais muito antigos, existem isótopos que permitem isso? A resposta é sim ... e não.
Há de fato isótopos radiativos com meias-vidas muito superiores à do C14 (ver tabela abaixo).

O que acontece é que esses elementos não estão presentes na composição química dos tecidos dos seres vivos e, portanto, não vão estar presentes em um resto orgânico fossilizado. Assim, esta metodologia não serve para datar fósseis. Mas vai ser aplicada na datação de rochas.

Datação absoluta de rochas

A datação absoluta das rochas baseia-se na premissa de que uma rocha é um "sistema fechado", cuja composição química não sofre alterações por influência de fatores externos. Sendo assim, qualquer alteração química que ocorrer na rocha, vai ser devida a decaimento radiativo de isótopos instáveis presentes nessa rocha desde o momento de sua cristalização. Isso é válido somente para rochas ígneas, a partir de sua cristalização e para rochas metamórficas depois de sua recristalização. As rochas sedimentares, formadas por partículas dos outros tipos de rocha (ígneas e metamórficas) ou, ainda por partículas de outras rochas sedimentares e restos esqueletais de organismos, não podem ser datadas pelos tradicionais métodos baseados em isótopos radiativos. Isso se deve ao fato de que é impossível saber quado determinado isótopo foi incorporado à rocha sedimentar.
A datação absoluta das rochas é feita por um equipamento denominado Espectrômetro de Massa.

Integração dos Métodos na Construção da Coluna do Tempo Geológico

Se a coluna do tempo geológico é baseada em pacotes de rochas sedimentares, que não são passíveis de datação por métodos de isótopos radiativos, então, como a datação absoluta auxiliou no refinamento das idades dos ons, Eras, Períodos, etc.? Bem, em muitos locais onde afloram rochas sedimentares, ocorrem, também, rochas ígneas, como por exemplo cinzas vulcânicas, intrusões de granito, derrames de basalto, etc., que podem ser datadas em termos asolutos.
Assim, mesmo não sendo possível quantificar em números a idade de todas as rochas aflorantes na superfície terrestre, pode-se de tempos em tempos obter a idade absoluta de rochas ígneas, que vão limitar temporalmente as rochas sedimentares dentro de determinado intervalo.


Na figura acima, a intrusão de granito foi datada em 180 milhões de anos (Ma) e a camada de lava, datada em 100 milhões de anos. Assim, podemos saber que a camada de arenitos é mais jovem que 180 Ma e mais antiga que 100 Ma. Também sabemos que a camada de calcário na base da sequência é mais antiiga que 180 Ma e que a camada de calcário acima da lava é mais jovem que 100 Ma.
Esse exemplo nos permite entender como o "casamento" entre os métodos de datação relativa e os métodos de datação absoluta, permitiu o atual nível de refinamento da coluna de tempo geológico.