Quão Velha é a Terra: Idade Científica da Terra

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IDADE CIENTÍFICA DA TERRA

Antes de analisar os argumentos avançados por criacionistas "cientistas" por uma Terra muito jovem, aqui resumo brevemente as evidências que convenceram os cientistas de que a Terra tem entre 4,5 e 4,6 bilhões de anos.

Não há dúvida sobre a antiguidade da Terra; as evidências são abundantes, conclusivas e facilmente acessíveis a todos que se dispuserem a examiná-las. A melhor evidência está contida no registro estratigráfico da Terra, incompleto e complexo, mas preciso — um registro que tem sido objeto de quase dois séculos de estudo. Lentamente e com grande cuidado, os geólogos montaram este registro na escala de tempo geológico geral mostrada na Figura 1. Isso foi feito observando a sequência relativa de idade das unidades rochosas em uma determinada área e determinando, a partir das relações estratigráficas, quais unidades rochosas são mais jovens, quais são mais antigas e quais conjuntos de fósseis estão contidos em cada unidade. Usando fósseis para correlacionar de área para área, os geólogos foram capazes de estabelecer uma ordem relativa mundial das formações rochosas e de dividir o registro rochoso e o tempo geológico nas eras, períodos e épocas mostrados na Figura 1. A última modificação na escala de tempo geológico da Figura 1 ocorreu na década de 1930, antes da datação radiométrica ser plenamente desenvolvida, quando a Época Oligocena foi inserida entre o Eoceno e o Mioceno.

Embora os primeiros estratigrafos pudessem determinar a ordem relativa das unidades rochosas e dos fósseis, eles só podiam estimar os comprimentos de tempo envolvidos observando as taxas dos processos geológicos atuais e comparando as rochas produzidas por esses processos com aquelas preservadas no registro estratigráfico. Com o desenvolvimento dos métodos modernos de datação radiométrica no final dos anos 1940 e 1950, tornou-se possível, pela primeira vez, não apenas medir os comprimentos das eras, períodos e épocas, mas também verificar a ordem relativa dessas unidades de tempo geológico. A datação radiométrica verificou que a escala de tempo relativa determinada por estratigrafos e paleontólogos (Figura 1) é absolutamente correta, um resultado que só poderia ter sido obtido se tanto a escala de tempo relativa quanto os métodos de datação radiométrica fossem corretos.

A abundância e variedade de fósseis nas rochas do Fanerozoico permitiram aos geólogos decifrar em considerável detalhe os últimos 600 milhões de anos aproximados da história da Terra. Nas rochas do Pré-Cambriano, no entanto, os fósseis são raros; assim, o registro geológico desta parte importante da história da Terra tem sido especialmente difícil de decifrar. Não obstante, a estratigrafia e a datação radiométrica das rochas do Pré-Cambriano demonstraram claramente que a história da Terra se estende bilhões de anos no passado.

A datação radiométrica não foi aplicada apenas a algumas rochas selecionadas do registro geológico. Literalmente, dezenas de milhares de medidas de idade radiométrica estão documentadas na literatura científica. Desde o início das operações no início dos anos 1960, os laboratórios de Geocronologia do U. S. Geological Survey em Menlo Park, Califórnia, sozinhos produziram mais de 20.000 idades K-Ar, Rb-Sr e ¹⁴C. Somando-se a este número as medidas de idade realizadas por entre 50 e 100 outros laboratórios em todo o mundo, é fácil ver que o número de idades radiométricas produzidas nas últimas duas ou três décadas e publicadas na literatura científica deve facilmente exceder 100.000. Considerados como um todo, estes dados comprovam claramente que a história da Terra se estende para trás a partir do presente até pelo menos 3,8 bilhões de anos no passado.

Uma questão particularmente fascinante sobre a história da Terra é "Quando a Terra começou?" A resposta para esta questão foi fornecida pela datação radiométrica e é agora conhecida com precisão de alguns por cento.

Três abordagens básicas são utilizadas para determinar a idade da Terra. A primeira é procurar e datar as rochas mais antigas expostas na superfície da Terra. Essas rochas mais antigas são rochas metamórficas com histórias anteriores, mas agora apagadas, de modo que as idades obtidas dessa forma são idades mínimas para a Terra. Como a Terra se formou como parte do Sistema Solar, uma segunda abordagem é datar objetos extraterrestres, ou seja, meteoritos e amostras da Lua. Muitas dessas amostras não tiveram histórias tão intensas nem tão complexas quanto as rochas mais antigas da Terra, e elas comumente registram eventos mais próximos ou iguais ao tempo de formação dos planetas. A terceira abordagem, e a que os cientistas pensam que fornece a idade mais precisa para a Terra, os outros planetas e o Sistema Solar, é determinar as idades modelo de chumbo para a Terra, a Lua e os meteoritos. Este método é pensado para representar o tempo em que os isótopos de chumbo foram por última vez distribuídos homogeneamente em todo o Sistema Solar e, portanto, o tempo em que os corpos planetários foram segregados em sistemas químicos discretos. Os resultados desses métodos indicam que a Terra, os meteoritos, a Lua e, por inferência, todo o Sistema Solar têm entre 4,5 e 4,6 bilhões de anos.

Antes de revisar brevemente as evidências sobre a idade da Terra, enfatizo que a formação do Sistema Solar e da Terra não foi um evento instantâneo, mas ocorreu ao longo de um período finito como resultado de processos desencadeados quando o universo se formou. Portanto, é mais correto falar sobre intervalos de formação em vez de idades discretas para o Sistema Solar e a Terra. As evidências atuais indicam, no entanto, que esses intervalos foram relativamente curtos (100-200 milhões de anos) em comparação com o tempo decorrido desde a formação do Sistema Solar há cerca de 4 a 5 bilhões de anos. Assim, as idades da Terra, da Lua e dos meteoritos, medidas por diferentes métodos, representam eventos ligeiramente distintos, embora as diferenças nessas idades sejam geralmente pequenas, e, para os propósitos deste capítulo, elas são aqui tratadas como um único evento.

AS ROCHAS MAIS ANTIGAS DA TERRA

Todos os continentes principais contêm um núcleo de rochas muito antigas cercado por rochas mais jovens. Esses núcleos, chamados de escudos precambrianos, são tudo o que resta da crosta mais antiga da Terra. As rochas nesses escudos são predominantemente metamórficas, o que significa que foram alteradas de outras rochas para sua forma atual por grande calor e pressão sob a superfície; a maioria passou por mais de um metamorfismo e teve histórias muito complexas. Um evento metamórfico pode alterar a idade radiométrica aparente de uma rocha. Mais comumente, o evento causa perda parcial ou total do isótopo filhote radiogênico, resultando em uma idade reduzida. Nem todos os metamorfismos apagam completamente o registro radiométrico da idade de uma rocha, embora muitos o façam. Assim, as idades radiométricas obtidas dessas rochas mais antigas não são necessariamente a idade do primeiro evento na história da rocha. Além disso, muitas das rochas mais antigas datadas intrudem rochas ainda mais antigas, mas indatáveis. Em todos os casos, as idades medidas fornecem apenas uma idade mínima para a Terra.

Até agora, rochas com mais de 3,0 bilhões de anos foram encontradas na América do Norte, Índia, Rússia, Groenlândia, Austrália e África. As rochas mais antigas da América do Norte, encontradas em Minnesota, apresentam uma idade de discordância U-Pb de 3,56 bilhões de anos (Figura 5). As rochas mais antigas encontradas até agora na Terra estão na Groenlândia, África do Sul e Índia. As amostras da Groenlândia foram especialmente bem estudadas. Os Gnaisse de Amitsoq, no oeste da Groenlândia, por exemplo, foram datados por cinco métodos diferentes (Tabela 6); dentro das incertezas analíticas, as idades são as mesmas e indicam que essas rochas têm cerca de 3,7 bilhões de anos.

Amostras de rocha total dos Gnaisse de Sand River, no Vale do Limpopo, África do Sul, foram datadas pelo método de isócrono Rb-Sr em 3,79 ± 0,06 bilhões de anos (15). Essas amostras são de rochas que contêm inclusões de rochas ainda mais antigas, mas até agora indatáveis. Recentemente, Basu e outros (16) relataram uma idade de isócrono Sm-Nd de nove amostras de 3,78 ± 0,11 bilhões de anos para rochas no leste da Índia.

Estudos das rochas mais antigas dos escudos do Precambriano mostram que a Terra é mais antiga que 3,8 bilhões de anos. A geologia dessas rochas mais antigas também indica que houve um período substancial da história da Terra antes de 3,8 bilhões de anos atrás para o qual não existe atualmente nenhum registro geológico datável. Existem várias razões possíveis para a aparente ausência desse registro mais antigo. Uma razão é que durante aquele período da história da Terra, não apenas a primeira crosta continental estava se formando, mas também estava sendo vigorosamente reciclada e regenerada. Uma segunda razão é que a Lua e, por inferência, a Terra, foram submetidas a um intenso bombardeio por grandes meteoritos desde o momento de sua formação inicial até cerca de 3,8 bilhões de anos atrás; esse bombardeio ocorreu porque a Terra ainda estava varrendo material em sua órbita. Uma terceira razão pode ser que o registro da história inicial da Terra existe em algum lugar, mas simplesmente ainda não foi encontrado. A razão correta para a ausência de dados pode ser bem uma combinação de alguns dos fatores acima. Quaisquer que sejam as razões, se quisermos aprender mais sobre a história da Terra antes de 3,8 bilhões de anos atrás, devemos examinar as evidências obtidas de outras fontes mais antigas, particularmente meteoritos e a Lua.

IDADE DOS METEORITOS

Existem dois tipos básicos de meteoritos, rochosos e de ferro; outros tipos são intermediários em composição entre estes dois. Os meteoritos rochosos são compostos principalmente pelos minerais silicatados olivina e piroxênio, enquanto os meteoritos de ferro consistem principalmente em liga de níquel-ferro. Os meteoritos rochosos contêm comumente pequenas quantidades de níquel-ferro, e muitos meteoritos de ferro incluem pequenas quantidades de minerais silicatados. Uma vez considerados como os restos de um planeta despedaçado, os meteoritos provavelmente originaram-se de cerca de 20 a 70 corpos parentais do tamanho de grandes asteroides. Alguns meteoritos são amostras dos corpos parentais que aparentemente eram grandes o suficiente para sofrer fusão parcial e diferenciação, produzindo diferentes tipos de rocha. Outros, principalmente os meteoritos rochosos chamados condritos, parecem representar rochas essencialmente inalteradas desde a condensação da nebulosa solar. As órbitas dos meteoritos indicam que são partes do Sistema Solar, provavelmente amostras dos asteroides, e, portanto, que sua idade é relevante para a idade da Terra.

Como a maioria das coisas na natureza, os meteoritos não são objetos simples. Isso é especialmente verdadeiro para aqueles que sofreram diferenciação, aquecimento e colisões com outros corpos no espaço. Para determinar a idade do Sistema Solar e da Terra, devemos procurar os meteoritos mais antigos e menos perturbados.

As idades K-Ar em meteoritos de pedra variam de cerca de 400 milhões de anos a quase 5 bilhões de anos, com uma grande concentração entre 4,4 e 4,6 bilhões de anos. As idades mais jovens refletem eventos de aquecimento e colisão, aos quais o método K-Ar é particularmente suscetível, enquanto as idades mais antigas registram eventos próximos ou iguais ao momento da formação do meteorito. Muitos meteoritos já foram datados pelo método de espectro de idades ⁴⁰Ar/³⁹Ar, o qual revela que muitos meteoritos foram aquecidos após sua formação. As fases metálicas em meteoritos de ferro não podem ser datadas de forma confiável pelo método K-Ar devido ao seu conteúdo de potássio quase nulo e aos efeitos de raios cósmicos. No entanto, inclusões de silicatos em vários meteoritos de ferro foram datadas pelo método K-Ar em 4,5 ± 0,2 bilhões de anos (19).

Algumas das idades mais precisas de meteoritos foram obtidas pelo método de isócrona Rb-Sr. Tabela 7 lista algumas dessas idades, a partir do resumo de Faure (49). Figura 3 plota a isócrona para o meteorito Juvinas. Alguns meteoritos de ferro contendo pequenas inclusões silicatadas também foram datados pelo método de isócrona Rb-Sr; os resultados indicam que os meteoritos de ferro menos perturbados têm a mesma idade (4,6 bilhões de anos) que os meteoritos de pedra menos perturbados.

Os meteoritos também foram datados pelo método de isócrono Sm-Nd. Jacobsen e Wasserburg (69), por exemplo, mostraram que 10 condritos e o acondrito Juvinas todos caem em uma isócrona de 4,60 bilhões de anos.

Os resultados da datação radiométrica em meteoritos indicam claramente que esses objetos se formaram há cerca de 4,6 bilhões de anos. Como considerações astrofísicas exigem que a formação dos planetas e meteoritos por condensação da nebulosa solar tenha ocorrido essencialmente simultaneamente, podemos inferir com considerável certeza que a idade dos meteoritos mais primitivos também é a idade de formação da Terra. Mesmo que desejássemos negar essa inferência, ainda seríamos forçados a concluir que os meteoritos, que devem, no mínimo, ser posteriores à formação do Sistema Solar e do universo, têm pelo menos 4,6 bilhões de anos.

EDADES DAS ROCHAS LUNARES

As missões Apollo, pela primeira vez, deram aos cientistas a emocionante oportunidade de estudar amostras de outro planeta. Embora todas as amostras forneçam informações importantes sobre a história da Lua, para dados sobre a idade de formação da Lua, devemos novamente olhar para as rochas mais antigas.

A superfície da Lua pode ser dividida em terras altas lunares e maria lunares. As terras altas são áreas montanhosas de terras altas que ainda preservam alguns aspectos da morfologia de impacto original da Lua mais antiga. Os maria, ou "mares", são áreas de terras baixas mais jovens que foram inundadas por lava após o impacto de corpos do tamanho de asteroides. As missões Apollo retornaram amostras tanto das terras altas quanto dos maria.

Devido ao impacto severo da história da Lua primitiva e ao consequente aquecimento e metamorfismo das amostras lunares, o método K-Ar convencional não é particularmente útil no estudo da formação de rochas lunares, pois tende a datar os eventos de aquecimento e impacto mais recentes em vez das idades originais das rochas. As idades das rochas lunares são conhecidas principalmente através da datação de espectro de idades ⁴⁰Ar/³⁹Ar e isócrona Rb-Sr; Tabela 8 lista algumas dessas idades. Como se pode ver nesta tabela, as rochas de cada local de pouso apresentam idades semelhantes por ambos os métodos; esse acordo não pode ser mera coincidência, mas deve refletir as idades verdadeiras das rochas dentro das incertezas analíticas. Tabela 8, no entanto, lista apenas dados obtidos antes de 1974; desde então, rochas mais antigas, das terras altas lunares, foram analisadas.

Números ⁴⁰Ar/³⁹Ar de espectro de idades de rochas do alto planalto situam-se entre cerca de 4,0 e 4,5 mil milhões de anos. No entanto, as idades mais antigas foram medidas pelo método de isócrona Rb/Sr em amostras provenientes do local Apollo 17. Estas incluem idades de isócrona mineral de 4,55 ± 0,1, 4,60 ± 0,1, e 4,43 ± 0,05 mil milhões de anos para três tipos diferentes de rocha. Além disso, análises de espectro de idades ⁴⁰Ar/³⁹Ar do local Apollo 16 agora mostraram duas rochas com idades de 4,47 e 4,42 mil milhões de anos (ver resumo em 75), e idades de isócrona Sm-Nd de 4,23 ± 0,05 e 4,34 ± 0,05 mil milhões de anos foram determinadas para duas amostras Apollo 17 (23).

As centenas de idades radiométricas em rochas lunares mostram claramente que a formação inicial da Lua ocorreu há 4,5 a 4,6 bilhões de anos. Há, é claro, algumas incertezas sobre a cronologia exata e os eventos que levaram à Lua que vemos hoje, mas há pouca dúvida sobre quando a Lua se formou ou sobre a data dos principais eventos vulcânicos que produziram as rochas ígneas nos diversos locais do programa Apollo.

IDADE DO LÍDER DO MODELO DE METEORITOS E DA TERRA

A idade geralmente aceita da Terra baseia-se num modelo simples, mas elegante, para a evolução dos isótopos de chumbo. Este modelo foi desenvolvido independentemente por Houtermans (65) e Holmes (63), e aplicado pela primeira vez a meteoritos e à Terra por Clair Patterson, atualmente no Instituto de Tecnologia da Califórnia, em 1953. No seu artigo clássico, Patterson (104) argumentou que se a composição isotópica do Pb fosse uniforme na nebulosa solar e, portanto, uniforme nos corpos planetários e nos meteoritos no momento da sua formação, e se estes corpos contivessem quantidades diferentes de urânio, então a composição isotópica do Pb destes corpos deveria cair numa linha reta isócrona quando a razão ²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb for plotada contra a razão ²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb (Figura 8). A extremidade inferior da isócrona na Figura 8 representa a composição isotópica do Pb numa fase de meteoritos de ferro (troilita, ou sulfeto de ferro) que não contém urânio; este ponto representa a composição isotópica inicial do Pb do Sistema Solar.

Figura 8: Isócrono de chumbo isotópico meteórico mostrando que a idade dos meteoritos e da Terra é de aproximadamente 4,55 bilhões de anos. Após Murthy e Patterson (98) e York e Farquhart (136).

As composições isotópicas de chumbo de meteoritos de ferro e pedra caem em uma idade isócrona de 4,55 bilhões de anos (Figura 8). Observe que este método, como os outros métodos isócronos, é auto-avaliável. A Terra moderna, representada pelas composições isotópicas de chumbo de alguns minerais muito jovens que não contêm urânio, também cai perto da isócrona meteorítica,⁹ um resultado que esperaríamos se a Terra e os meteoritos se formaram simultaneamente. As razões nas rochas lunares têm valores muito maiores do que nas rochas terrestres e meteoritos; elas saem do campo da Figura 8, mas estão muito próximas da extensão da isócrona meteorítica e, portanto, indicam uma idade similar.

Se a Terra, a Lua e os meteoritos não fossem geneticamente relacionados e da mesma idade, não haveria razão para suas composições isotópicas de chumbo (Pb) se alinharem ao longo da mesma isócrona. Esta é uma evidência convincente de que os corpos planetários, incluindo a Terra, se formaram há aproximadamente 4,55 bilhões de anos. Observe que a estimativa original da idade da Terra por Patterson (104) mudou muito pouco nas últimas três décadas. Em uma reavaliação recente, Tera (125) conclui que a idade da Terra é de aproximadamente 4,54 bilhões de anos. Tera também resume vários outros modelos de chumbo para a idade da Terra; todos eles fornecem resultados dentro da faixa de 4,43 a 4,59 bilhões de anos. Assim, embora ainda haja algum debate sobre a idade exata da Terra e do Sistema Solar, os cientistas estão discutindo apenas sobre a primeira ou segunda parte de um décimo de bilhão de anos. A idade da Terra é conhecida com uma precisão de aproximadamente uma parte em 45, ou seja, cerca de dois por cento.

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⁹ Embora os modernos isótopos terrestres estejam próximos da isócrona meteorítica, muitos não caem exatamente nela, evidentemente porque muitos tiveram histórias complexas (multietapas) (por exemplo, 123).