O Problema:

Espectrometria de massa de aceleradores (AMS), uma técnica sensível de datação radiométrica, em alguns casos está encontrando quantidades traço de carbono-14 radioativo em depósitos de carvão, quantidades que parecem indicar uma idade de cerca de 40.000 anos. Embora este resultado ainda seja muito antigo para se encaixar em qualquer cronologia do criacionismo da Terra jovem, também pareceria representar um problema para a escala geológica estabelecida, já que o pensamento convencional sustenta que os depósitos de carvão foram formados em grande parte, se não totalmente, durante o período Carbonífero, há aproximadamente 300 milhões de anos. Como a meia-vida do carbono-14 é de 5.730 anos, qualquer quantidade presente no carvão no momento da formação deveria ter se decaído há muito tempo em produtos filhas estáveis. A presença de ¹⁴C no carvão é, portanto, uma anomalia que requer explicação.

A Solução:

Kathleen Hunt do Talk.origins enviou um e-mail a um especialista renomado em AMS e datação por ¹⁴C. Os resultados de sua correspondência são reproduzidos abaixo:

Olá, tive muita sorte com meu primeiro e-mail para um pesquisador da AMS. Recebi uma resposta muito informativa logo de cara.

A versão resumida: o ¹⁴C no carvão é provavelmente produzido de novo pelo decaimento radioativo da série de isótopos de urânio-tório que ocorre naturalmente em rochas (e que é encontrado em concentrações variáveis em diferentes rochas, daí a variação no conteúdo de ¹⁴C em diferentes carvões). A pesquisa está em andamento neste exato momento.

(A hipótese fungos/bactérias [que o ¹⁴C no carvão é produzido por microrganismos modernos que atualmente vivem lá --Ed.] também pode ser plausível, mas provavelmente só contribuiria para a inflação dos valores de ¹⁴C se o carvão ficasse em condições quentes e úmidas exposto ao ar ambiente. Também há evidências crescentes de que bactérias são amplamente distribuídas em rochas profundas, mas não está claro que elas pudessem contribuir para os níveis de ¹⁴C. Mas elas podem contribuir para o ¹³C.)

A versão muito mais longa:

Este fim de semana, enviei um e-mail ao Dr. Harry Gove, um especialista no desenvolvimento do método AMS de datação por ¹⁴C. Escolhi perturbá-lo com meus e-mails porque ele havia escrito recentemente alguns bons artigos de revisão sobre a técnica AMS na revista Radiocarbon. (Basicamente, existem duas maneiras de medir ¹⁴C: (1) contar as emissões radioativas ou, (2) um método mais recente, baseado na separação dos diferentes isótopos de carbono por suas diferentes massas via espectrometria de massa por acelerador [AMS] e na contagem dos próprios átomos.)

O Dr. Gove respondeu no dia seguinte, assim como um de seus colegas. Por pura coincidência, eles estão atualmente estudando essa mesma questão. Acontece que a origem e a concentração de ¹⁴C nos combustíveis fósseis são importantes para a comunidade de física devido à sua relevância para a detecção de neutrinos solares. Aparentemente, um dos novos detectores de neutrinos, o detector Borexino na Itália, funciona detectando pequenos flashes de luz visível produzidos por neutrinos passando por um enorme tanque subterrâneo de "fluido cintilador". O fluido cintilador é feito de combustíveis fósseis como metano ou petróleo (além de alguns outros ingredientes), e brilha quando atingido por partículas beta ou certos outros eventos, como neutrinos. O detector Borexino possui 800 toneladas de cintilador. No entanto, se houver emissores beta nativos no próprio fluido, esse decaimento radioativo natural também produzirá flashes de cintilação. (Na verdade, esse é o uso mais comum do cintilador. Eu uso cintilador todos os dias no meu próprio trabalho para detectar ¹⁴C e hormônios marcados com ³H. Mas eu uso apenas um mililitero de cada vez - o conceito de 800 toneladas realmente deixa a mente confusa!). Portanto, a comunidade de física ficou interessada em descobrir se e por que os combustíveis fósseis têm radioatividade nativa. O objetivo é encontrar combustíveis fósseis que tenham uma razão ¹⁴C/C de 10^-20 ou menos; abaixo disso, a atividade de neutrinos pode ser detectada de forma confiável. O detector Borexino e outros detectores planejados desse tipo devem manter as emissões beta nativas abaixo de 1 contagem por tonelada de fluido por semana para detectar neutrinos solares de forma confiável. (Em comparação, meus pequenos frascos de hormônios, aqui em meu laboratório acima do solo, têm uma contagem de fundo de cerca de 25 contagens por minuto para 3,5 mililitros.)

Portanto, os físicos desejam encontrar combustíveis fósseis que contenham muito pouco ¹⁴C. No decorrer desse trabalho, eles descobriram que os combustíveis fósseis variam amplamente em conteúdo de ¹⁴C. Alguns não possuem ¹⁴C detectável; outros possuem uma quantidade considerável de ¹⁴C. Parece que isso correlaciona-se melhor com o conteúdo da radioatividade natural das rochas que cercam os combustíveis fósseis, particularmente os isótopos da série urânio-tório que emitem nêutrons e partículas alfa. O Dr. Gove e seus colegas disseram-me que acreditam que as evidências até agora demonstram que o ¹⁴C no carvão e outros combustíveis fósseis é derivado inteiramente da nova produção de ¹⁴C pela decaimento radioativo local da série urânio-tório. Muitos estudos verificam que os carvões variam amplamente em conteúdo de urânio-tório e que isso pode resultar em conteúdo inflado de certos isótopos relevantes para a datação radiométrica (veja os resumos abaixo). Agora entendo por que os combustíveis fósseis não são rotineiramente utilizados na datação radiométrica!

O Dr. Gove e seus colegas estão atualmente tentando melhorar a tecnologia AMS para poder identificar certos combustíveis fósseis que possuem conteúdo extremamente baixo de ¹⁴C. As técnicas atuais de AMS têm um limite de detecção de ¹⁴C/C de cerca de 10^-15 (correspondente a 60.000 anos), e a pesquisa atual do Dr. Gove, este ano, visa melhorar a detectabilidade para 10^-18 (110.000 anos).

O seu objetivo final é medir de forma confiável as razões ¹⁴C/C até níveis incrivelmente baixos de 10^-22 (180.000 anos). Esta tecnologia de AMS seria então utilizada para identificar certos óleos que possuem níveis muito baixos de ¹⁴C, e seriam esses óleos os utilizados nos detectores de neutrinos.

(Esta pesquisa faz parte do "Projeto Carbono Antigo", financiado pelo Programa de Astrofísica de Partículas e Nuclear da Fundação Nacional de Ciências dos EUA e também pelo Conselho de Pesquisa em Ciências Naturais e Engenharia do Canadá. A equipe apresentará os resultados até agora neste setembro na 9ª Conferência Internacional sobre Espectrometria de Massa por Acelerador no Japão.)

Finalmente, eu também consegui uma cópia do artigo de 1989 de David Lowe, Radiocarbon. É um artigo curto. Um resumo:

(1) o carvão antigo frequentemente tem um pouco mais de ¹⁴C do que o esperado - em vez de ter a proporção esperada de ¹⁴C/C no limite detectável ou além de 10^-15 (correspondente a ~60.000 anos), frequentemente tem ¹⁴C/C detectável de 10^-14 ou 10^-13.

(2) hipótese dos elementos radioativos: Lowe discutiu brevemente a possibilidade de que elementos radioativos nativos possam criar novo ¹⁴C por decaimento radioativo. Ele discutiu apenas o rádio e descartou isso como um efeito significativo com base nas baixas concentrações de rádio no carvão (e, no entanto, minha própria breve pesquisa de levantamento encontrou muitos resumos mostrando que as concentrações de radionuclídeos variam amplamente no carvão - alguns desses são anteriores a 1989, então não sei por que Lowe não abordou isso com mais cuidado).

(3) hipótese de bactérias/fungos: Lowe então apresenta um argumento razoável para fungos e bactérias — existem fungos que podem degradar lignito (Polyporus versicolor e Poria montiola), bem como bactérias autotróficas semelhantes a "thiobacillus" que oxidam pirita no carvão, e ele aponta que bactérias foram encontradas a 3 km de profundidade, aparentemente vivendo sobre granito. Lowe afirma que a atividade fúngica e bacteriana é particularmente provável em carvão quente e úmido exposto ao ar, e ele destaca que a ação microbiana só precisa resultar na deposição de ~0,1% em peso de carbono moderno no carvão para produzir uma idade aparente de 45.000 anos para o espécime.

Desde o artigo de Lowe, houve muitos mais relatórios sobre bactérias subterrâneas profundas, que aparentemente formam um ecossistema até então não reconhecido muito abaixo da superfície terrestre, em rochas e em óleos (resumos abaixo). Presumivelmente, a maioria dessas bactérias nunca interage com o "moderno" ¹⁴C da atmosfera. Mas alguma atividade bacteriana profunda aparentemente pode resultar em concentrações aumentadas de ¹³C.

(4) Lowe prossegue fazendo recomendações sobre o uso apenas de carvão seco recém-extraído armazenado sob gás inerte, e outras recomendações sobre a escolha do "fundo" para laboratórios de radiocarbono.

Portanto, parece que a produção in situ de novo ¹⁴C é a hipótese melhor sustentada; mas a pesquisa está em andamento, e aguardo com expectativa os resultados do Projeto Carbono Antigo e novas pesquisas sobre as bactérias subterrâneas profundas.

Referências

Uma grande introdução geral à datação por carbono-14:
http://www.c14dating.com/

Informações gerais sobre os vários tipos de detectores de neutrinos:
www.slac.stanford.edu/gen/meeting/ssi/1997/wojcicki4.pdf

Uma discussão muito boa e aprofundada sobre os três novos detectores de neutrinos e como eles funcionam (role quase até o final para ler sobre o Borexino):
http://www.sns.ias.edu/~jnb/Papers/Popular/Nextgensolar/nextgensolar.html

Um diagrama do detector de neutrinos Borexino (Itália) - observe a enorme blindagem para protegê-lo da radiação proveniente da rocha circundante:
http://almime.mi.infn.it/html/borexinod.html

Mais sobre o detector Borexino da Universidade de Princeton:
http://pupgg.princeton.edu/~borexino/welcome.html

O artigo original que levantou esta questão do "carvão antigo":
"Problemas associados ao uso de carvão como fonte de material de fundo livre de ¹⁴C." D.C. Lowe, Radiocarbon 31(2):117-120 1989.

Referências recentes do projeto contínuo "Old Carbon Project":
"A medição de idades de Radiocarbono muito antigas por AMS." 2001. A. E. Litherland e K. H. Purser. Em: Proc. Conf. on the Fundamental Aspects of Modern Physics, 2000, Luderitz, Namíbia. Publicado pela World Scientific Publishing Company em 2001.

"Progresso na Pesquisa AMS no IsoTrace." 2000. A. E. Litherland, R. P. Beukens, J. P. Doupe, W. E. Kieser, J. S. Krestow, J. C. Rucklidge, I. Tomski, G. C. Wilson e X-L. Zhao. Nucl. Instr. and Meth. B172:206-210.

"Sistemas de Preparação por Feixe de Íons para Redução de Isóbaros Atômicos em Espectrometria de Massa por Acelerador." 2001. A.E. Litherland, J.P. Doupe, I. Tomski, J. Krestow, X-L. Zhao, W.E. Kieser e R. P. Beukens. Em: Proceedings of the 16th Int. Conf. on the Applications of Accelerators in Research and Industry, J. L. Duggan e I. L. Morgan (Eds.), Conf. Proc. of the Am. Inst. of Physics 575:390-393.

Sobre bactérias subterrâneas:
"Vida profunda na faixa lenta, muito lenta." Richard A. Kerr, Science, 10 de maio de 2002: 1056-1058.

Mais sobre bactérias subterrâneas:
"Uma comunidade microbiana subterrânea baseada em hidrogênio dominada por metanogênicos." 2002. F.H. Chapelle, K. O'Neill, P.M. Bradley, B.A. Methe, S.A. Ciufo, L.L. Knobel e D.R. Lovley. Nature, 17 de janeiro, 2002; 415 (6869): 312-315.
RESUMO: A busca por vida extraterrestre pode ser facilitada se ecossistemas puderem ser encontrados na Terra que existam sob condições análogas às presentes em outros planetas ou luas. Propôs-se, com base em considerações geoquímicas e termodinâmicas, que o hidrogênio de origem geológica possa sustentar comunidades microbianas subterrâneas em Marte e Europa, nas quais os metanogênicos formam a base do ecossistema. Aqui descrevemos uma comunidade microbiana subterrânea única na qual os Archaea consumidores de hidrogênio e produtores de metano superam em número os Bactérias. Mais de 90% das sequências de DNA ribossomal 16S recuperadas de águas hidrotermais circulando através de rochas ígneas profundamente enterradas no Idaho estão relacionadas a microrganismos metanogênicos que utilizam hidrogênio. A caracterização geoquímica indica que o hidrogênio geotérmico, e não o carbono orgânico, é a principal fonte de energia para esta comunidade microbiana dominada por metanogênicos. Estes resultados demonstram que comunidades metanogênicas baseadas em hidrogênio realmente ocorrem na subsuperfície da Terra, fornecendo um análogo para possíveis ecossistemas microbianos subterrâneos em outros planetas.

Uma nova espécie de bactéria encontrada em combustíveis fósseis profundos e quentes:
"Isolamento e caracterização de Thermococcus sibiricus sp. nov. de um reservatório de petróleo de alta temperatura na Sibéria Ocidental." 2001. M.L. Miroshnichenko, H. Hippe, E. Stackebrandt, N.A. Kostrikina, N.A. Chernyh, C. Jeanthon, T.N. Nazina, S.S. Belyaev, e E.A. Bonch-Osmolovskaya. Extremophiles 5(2):85-91.
RESUMO: Archaea hipertermófilas organotróficas anaeróbicas foram isoladas de cinco das oito amostras de poços de petróleo do reservatório de petróleo de Samotlor (profundidade, 1.799-2.287m; temperatura, 60-84 graus C). Três cepas foram isoladas em culturas puras e caracterizadas filogeneticamente com base na comparação das sequências do gene 16S rRNA. Todas as cepas pertenciam a uma nova espécie do gênero Thermococcus, com Thermococcus litoralis, Thermococcus aggregans, Thermococcus fumicolans e Thermococcus alcaliphilus sendo os parentes mais próximos (faixa de similaridade de sequência, 97,2%-98,8%). A cepa MM 739 foi estudada em detalhe. O novo isolado cresceu em peptídeos, mas não em carboidratos. O enxofre elementar teve um efeito estimulante no crescimento. A faixa de temperatura para crescimento foi entre 40 graus e 88 graus C, com o ótimo em 78 graus C; a faixa de pH foi de 5,8 a 9,0, com o ótimo em torno de 7,3; e a faixa de salinidade foi de 0,5% a 7,0%, com o ótimo em 1,8%-2,0%. O tempo de duplicação em condições ótimas de crescimento foi de cerca de 43 minutos. O conteúdo de G+C do DNA foi de 38,4 mol%. A parentesco DNA-DNA entre a cepa MM 739 e T. litoralis foi de 27%; entre a cepa MM 739 e T. aggregans, foi de 22%. Com base nas diferenças fenotípicas e genômicas com espécies conhecidas de Thermococcus, propõe-se a nova espécie Thermococcus sibiricus. O isolamento de um arqueu hipertermófilo de um ambiente subsuperficial profundo, significativamente distante de fontes termais marinhas rasas ou abissais, indica a existência de uma biosfera subterrânea habitada por biota hipertermófila indígena.

Exemplo de alto teor de urânio em certos carvões:
"Abundâncias anômalas de traços elementares em cinzas de carvão do Terciário das East Garo Hills, Meghalaya, Índia." 1996. I.V. Sastry, M.S. Deshpande, e K.K. Dwivedy. Journal of Atomic Mineral Science 4:75-79.
RESUMO: As cinzas de carvão do Terciário de Thakmari-Wathregithem, nas East Garo Hills, registram concentrações anômalas de urânio (até 0,219% de U₃O₈), vanádio (até 9,3%), cromo (até 1,7%), cobre (até 1,17%), manganês (até 0,15%), cobalto (até 1,15%), estrôncio (até 0,38%), bário (até 0,30%) e chumbo (até 0,75%). Aspectos econômicos e possíveis implicações de tais altas concentrações são brevemente avaliados.

Exemplo de alto teor de urânio em combustíveis fósseis também distorcendo outros métodos de datação radiométrica:
"A geoquímica de isótopos de chumbo e as idades aparentes urânio-chumbo do minério uranífero de tipo arenito de Domiasiat, Meghalaya, Índia." 1998. R.R. Das, K.K. Dwivedy, T.R. Mahalingam e C.K. Mathews. Journal of the Geological Society of India 51(6): 817-825.
RESUMO: A abundância relativa de chumbo radiogênico varia dependendo das características mineralógicas do minério. Em matéria coalhada com alto teor de urânio, o chumbo radiogênico é >80% do total, enquanto em um minério composto, até 60% do total é de chumbo comum inicial. As "idades aparentes" urânio-chumbo estão na faixa de 25 Ma a 95 Ma e estão relacionadas ao conjunto mineralógico no minério. A mais recente das mineralizações de urânio, de "idade aparente" -25Ma, está associada às frações de matéria coalhada que contêm quantidades consideráveis de pirita. As variações na abundância e distribuição de isótopos de chumbo radiogênico e as resultantes mudanças ordenadas nas "idades aparentes" das mineralizações de urânio em diferentes tipos de frações minerais são atribuídas às condições favoráveis existentes no minério para o movimento de urânio da rocha e concentração e retenção preferencial na matéria coalhada, levando a mais de uma etapa de mineralização de urânio.

Referência antiga (mas ainda boa) sobre a variação no teor de urânio em carvões:
"Geologia do urânio em rochas carbonáceas de carvão." 1962. J.D. Vine. U. S. Geological Survey Professional Paper. Páginas 113-170.
RESUMO: O U é um dos muitos constituintes inorgânicos associados ao carvão, carvão impuro, xisto carbonáceo e xisto carbonífero. Essas rochas normalmente contêm menos de 0,0001% de U. Pelo menos 0,005% e até 0,1% de U é conhecido ocorrer localmente em solos turfosos de pradarias alpinas, em camadas de xisto carbonífero e como grandes depósitos de baixo teor em lignito e carvão subbituminoso nas regiões das Montanhas Rochosas e das Grandes Planícies. Carvão bituminoso e antracítico é raramente conhecido por conter até 0,005% de U, mesmo localmente. Toneladas economicamente significativas de lignito impuro e xisto lignítico contêm até 0,1% de U em pelo menos 14 áreas nos Estados Unidos. Quase metade dessas áreas ocorre na região de lignito de Fort Union, no oeste de Dakota do Norte e Dakota do Sul. A maioria desses depósitos ocorre em camadas finas de rochas ligníticas impuras que foram intemperizadas até se tornarem material terroso macio contendo cerca de 50% de umidade. O U ocorre principalmente como um constituinte epigênico dos restos vegetais em rochas carbonáceas, quimicamente fixado por troca iônica na matéria húmica. A localização dos depósitos depende da disponibilidade de U em soluções de água subterrânea, da estrutura e permeabilidade da rocha adjacente e, especialmente, da permeabilidade e susceptibilidade química da rocha carbonácea. O conjunto peculiar de condições necessário para formar um depósito economicamente significativo de U em rochas carbonáceas de carvão é raramente atendido e não segue nenhum padrão facilmente previsível.