De onde veio a água?

Atenção : artigo retirado da Scientific American (Brasil) /Texto em Português do Brasil

A Terra esfriou mais cedo? Novas medições sugerem que o nosso planeta pode não ter passado seus primeiros 500 milhões de anos afogado em lava. É possível que oceanos, continentes e a vida tenham surgido mais cedo.

por John W. Valley

Manuais de geologia afirmam que nosso planeta passou seus primeiros 500 milhões de anos coberto por magma quente, mas essa tese pode estar errada. Cristais de zircão revelam que a superfície da Terra talvez tenha esfriado bem antes, permitindo desde cedo o surgimento de oceanos, continentes e oportunidades para a origem da vida.

Um novo conceito sobre como era a Terra primordial, coberta por oceanos há 4,4 bilhões de anos, contrasta com o mundo quente e hostil normalmente representado nos livros didáticos. A Lua estava mais próxima naquele tempo, por isso parecia maior do que nos dias de hoje.

Na sua infância, que começou há cerca de 4,5 bilhões de anos,a Terra brilhava como se fosse uma estrela tênue. Oceanos incandescentes de magma alaranjado ondulavam na superfície do planeta após as freqüentes colisões com imensos meteoros, alguns do tamanho de pequenos planetas, que orbitavam o Sol recém-criado. Viajando em média a 90 mil km/h (75 vezes a velocidade do som), cada corpo impactante se incendiava na superfície da Terra, estilhaçando, derretendo e até se vaporizando no momento do contato.

Logo no início, o ferro denso afundava no magma para formar o núcleo metálico, liberando gravidade para derreter todo o planeta. Meteoritos continuaram a colidir com a Terra durante centenas de milhões de anos.

Ao mesmo tempo, no núcleo da Terra, o decaimento de elementos radioativos produzia seis vezes mais calor do que hoje. Essas condições infernais tinham de se acalmar para que as rochas derretidas se solidificassem, para que os continentes se formassem, para que a atmosfera de vapor se condensasse, e para que a primeira forma de vida pudesse evoluir. Mas, quão rapidamente a superfície da Terra esfriou? A maioria dos cientistas assume que o ambiente infernal durou 500 milhões de anos, uma era geológica batizada como Hadeana. O maior apoio para tal visão vem da ausência de rochas intactas com mais de 4 bilhões de anos – e dos primeiros sinais fossilizados de vida, que surgiram muito tempo depois. Nos últimos anos, entretanto, geólogos – incluindo meu grupo da Universidade de Wisconsin-Madison – descobriram cristais de minério de zircão antigos cuja composição química está mudando o conceito sobre os primórdios da Terra. As propriedades incomuns desses minerais duráveis – cada um do tamanho do ponto final desta sentença – possibilitou aos cristais preservar indícios sobre como teria sido o ambiente da Terra quando eles se formaram. Essas minúsculas cápsulas do tempo carregam evidências de que oceanos habitáveis para a vida primordial e, mesmo os continentes, poderiam ter surgido 400 milhões de anos antes do que geralmente se pensava.

Resfriamento
Desde o século XIX cientistas vêm tentando calcular quão rapidamente a Terra se resfriou, mas poucos esperavam descobrir evidências sólidas.

Embora os oceanos de magma, no início, estivessem com mais de 1.000oC, a idéia tentadora de uma Terra primitiva temperada veio de cálculos da termodinâmica. Os números indicam que a crosta poderia ter se solidificado na superfície em 10 milhões de anos. Como o planeta endureceu externamente, a fina camada de rocha solidificada teria isolado o exterior das altas temperaturas vindas do interior da Terra. Se houve períodos tranqüilos adequados entre os grandes impactos de meteoritos, se a crosta era estável, e se o efeito estufa da atmosfera não aprisionou muito calor, então as temperaturas poderiam ter caído rapidamente, abaixo do ponto de ebulição da água. Além disso, o Sol primitivo era mais fraco e deve ter contribuído com menos energia.

Para a maioria dos geólogos, entretanto, o incontestado nascimento turbulento do planeta e os poucos indícios no registro geológico parecem, contrariamente, apontar para um prolongado clima ultraquente. A rocha intacta mais antiga conhecida é a Gnaisse Acasta, de 4 bilhões de anos, no noroeste do Canadá. Essa pedra, porém, formou-se nas profundezas do planeta e não carrega nenhuma informação sobre as condições da superfície. A maioria dos cientistas assume que as condições infernais presentes na superfície do planeta devem ter obliterado qualquer rocha que se formou muito cedo. As rochas mais antigas conhecidas que se originaram sob a água (e, portanto, em ambientes relativamente mais frios) datam de 3,8 bilhões de anos atrás. Esses sedimentos, expostos em Isua, no sudoeste da Groenlândia, também contêm a evidência de vida mais antiga.

Escavações Profundas
Nos anos 1980 , os cristais de zircão começaram a acrescentar novos dados sobre a Terra primitiva, quando uns poucos e raros grãos em Jack Hills e em Mount Narryer, no oeste da Austrália, foram reconhecidos como os materiais terrestres mais antigos – chegando a quase 4,3 bilhões de anos. Mas a informação que esses cristais carregavam parecia ambígua, em parte pelo fato de os geólogos estarem inseguros quanto à identidade da rocha matriz. Uma vez formados, os cristais de zircão são tão duráveis que podem persistir, mesmo se a sua rocha matriz for levada à superfície e destruída por exposição ao ar e erosão. O vento ou a água podem então transportar os grãos sobreviventes por grandes distâncias antes de o mineral se incorporar a depósitos de areia e cascalho que, mais tarde, solidificam-se em rochas sedimentares. De fato, os cristais de zircão – talvez milhares de quilômetros distantes de suas fontes – foram descobertos incrustados em um banco de cascalhos fossilizado chamado de conglomerado de Jack Hills.

Assim, a despeito do entusiasmo com a descoberta desses fragmentos primevos da Terra, a maioria dos cientistas, incluindo eu, continuou a aceitar a visão de que o clima do nosso jovem planeta era Hadeano. Foi depois de 1999 que os avanços tecnológicos permitiram novos estudos com o zircão do oeste da Austrália, o que desafiou a tese convencional sobre a história mais antiga da Terra.

Os cristais de zircão australianos não revelaram os seus segredos tão facilmente. Em primeiro lugar, o conglomerado de Jack Hills está isolado na fronteira de imensas fazendas de ovelhas situadas 800 km ao norte de Perth, a cidade mais isolada da Austrália. O conglomerado foi depositado três bilhões de anos atrás e marca o limite noroeste de um conjunto de formações rochosas, todas anteriores a 2,6 bilhões de anos. Para conseguir recuperar menos do que uma pitada de cristais de zircão, coletamos centenas de quilos de rochas desses afloramentos remotos e os transportamos até nosso laboratório para triturá-los e separá-los, como se estivéssemos procurando grãos especiais na areia de uma praia.

Uma vez extraídos de sua rocha-fonte, os cristais individuais poderiam ser datados, já que os zircões são excelentes cronômetros geológicos. Além da sua longevidade, contêm traços de urânio radioativo, que decai para chumbo a um ritmo conhecido. Quando um cristal de zircão se forma a partir de magma solidificado, átomos dos elementos zircônio, silício e oxigênio combinam-se em proporções exatas (ZrSiO4) para criar uma estrutura cristalina exclusiva do zircão; o urânio ocasionalmente os substitui como um traço de impureza. Átomos de chumbo, por outro lado, são muito grandes para substituir adequadamente qualquer dos elementos da composição, e por isso os cristais de zircão nascem virtualmente livres de chumbo. O relógio urânio-chumbo começa a funcionar tão logo o zircão se cristaliza, e a razão chumbo/urânio aumenta com a idade do cristal. Os cientistas conseguem determinar a idade de um cristal de zircão não danificado com 1% de exatidão. No caso da Terra primitiva isso representa margem de erro de 40 milhões de anos. A datação de partes específicas de um único cristal foi realizada pela primeira vez no início dos anos 1980, quando William Compston e colegas da Universidade Nacional Australiana em Canberra inventaram um tipo de microssonda iônica, um instrumento bastante grande que batizaram de Shrimp (sigla em inglês para microssonda iônica sensitiva de alta resolução). Embora a maioria dos cristais de zircão seja quase invisível a olho nu, a microssonda iônica lança um raio de íons tão estreitamente focado que pode arrancar um pequeno número de átomos de qualquer alvo na superfície do cristal. Um espectrômetro de massa mede então a composição desses átomos ao comparar suas massas. Foi o grupo de Compston – trabalhando com Robert Pidgeon, Simon A. Wilde e John Baxter, da Universidade Curtin de Tecnologia, também na Austrália – que primeiro datou os zircões de Jack Hills, em 1986.

Sabendo disso, abordei Wilde. Ele concordou em reinvestigar as datações por urânio-chumbo dos cristais de zircão de Jack Hills como parte da tese de doutorado de William H. Peck, meu aluno, hoje professor assistente da Universidade Colgate. Em 1999, Wilde analisou 56 cristais não-datados usando uma Shrimp aprimorada na Universidade de Curtin.

Descobriu que cinco desses cristais apresentavam idade superior a 4 bilhões de anos. Para nossa grande surpresa, a idade do mais velho deles superava 4,4 bilhões de anos. Algumas amostras provenientes da Lua e de Marte têm idade similar, e os meteoritos são, geralmente, mais antigos; mas nada com essa idade tinha sido descoberto na Terra, nem mesmo se esperava descobrir. Quase todos achavam que, se esses antigos cristais de zircão tivessem existido, a dinâmica das condições dos Hadeanos teria destruído a todos. Nem desconfiávamos que a mais excitante das descobertas ainda estava por vir.

Velhos Oceanos
Peck e eu fomos atrás dos zircões de Wilde, do oeste da Austrália, porque estávamos de olho em uma amostra bem preservada do oxigênio mais antigo da Terra. Sabíamos que os cristais de zircão poderiam reter evidências, não apenas de quando sua rocha hospedeira teria se formado, mas também de como isso ocorreu. Em especial, estávamos usando as proporções de diferentes isótopos de oxigênio para estimar as temperaturas dos processos que teriam levado à formação de magmas e rochas.

Os geoquímicos medem a proporção de oxigênio 18 (18O, um raro isótopo com oito prótons e dez nêutrons, que representa cerca de 0,2% de todo o oxigênio da Terra) para o oxigênio 16 (16O, o isótopo mais comum, que compreende 99,8% do total). Esses átomos são chamados de isótopos estáveis porque não sofrem decaimento radioativo e, desse modo, não mudam espontaneamente com o passar do tempo. Entretanto, a proporção de 18O e 16O incorporada dentro do cristal durante a sua formação varia de acordo com a temperatura ambiente na época em que o cristal se formou. A razão 18O/16O é bem conhecida para o manto da Terra (a camada de 2.800 km de espessura embaixo da fina camada de 5 km a 40 km dos continentes e da crosta oceânica). Magmas que se formam no manto sempre apresentam quase a mesma proporção de isótopo de oxigênio. Por questão de simplicidade, os geoquímicos ajustam essas proporções relativas àquela da água do mar e expressam-na naquilo que é chamado de notação delta (?). O ?18O do oceano é 0 por definição, e o ?18O do zircão do manto é 5,3, o que significa que tem uma razão 18O/16O maior que a da água do mar.

Por isso Peck e eu esperávamos descobrir um valor de 5,3 para o manto primitivo, quando levamos os cristais de zircão de Jack Hills analisados por Wilde, incluindo os cinco mais antigos, até a Universidade de Edimburgo, naquele mesmo verão. Lá, John Craven e Colin Graham nos auxiliaram a usar um tipo diferente de microssonda iônica, especialmente projetada para medir as proporções do isótopo de oxigênio. Havíamos trabalhado juntos muitas vezes nas décadas precedentes, para aperfeiçoar a técnica e poder analisar amostras um milhão de vezes menores do que aquelas analisadas no meu laboratório em Wisconsin.

Após 11 dias de análises ininterruptas e poucas horas de sono, completamos as medições e descobrimos que as nossas predições estavam erradas. Os valores ?18O do zircão eram superiores a 7,4.

Ficamos atordoados. O que poderia significar essa alta proporção isotópica? Nas rochas mais jovens a resposta seria óbvia, porque amostras assim são comuns. Um cenário previsível é o de que as rochas a baixas temperaturas na superfície da Terra podem adquirir tal característica se interagirem quimicamente com água de chuva ou do oceano. As rochas com alto 1?8O, quando soterradas e fundidas, formam o magma que retém esse alto valor, que é então passado aos zircões durante a cristalização. Desse modo, a água líquida e as baixas temperaturas são necessárias na superfície da Terra para formar zircões e magmas com altos ?18O; não se conhece nenhum outro processo que resulte nisso.

A descoberta de altas proporções de isótopos de oxigênio nos zircões do conglomerado de Jack Hills significa que provavelmente já existia água líquida sobre a superfície da Terra pelo menos 400 milhões de anos antes das rochas sedimentares conhecidas mais antigas, da Groenlândia. Se correto, é provável que já houvesse oceanos inteiros naquele tempo, tornando o clima primitivo da Terra mais parecido com uma sauna do que com uma bola de fogo Hadeana.

Vestígios Continentais
Poderíamos basear conclusões tão importantes sobre a história da Terra em uns raros e diminutos cristais? Protelamos a publicação de nossas descobertas por mais de um ano para reexaminar as análises. Enquanto isso, outros grupos conduziam suas próprias pesquisas em Jack Hills.

Steven Mojzsis, da Universidade do Colorado, e colegas da Universidade da Califórnia em Los Angeles confirmaram nossos resultados, e todos publicamos estudos em 2001 descrevendo as descobertas.

As possíveis implicações dos achados acerca do zircão propagaram entusiasmo no meio científico. Na violência superaquecida de um mundo Hadeano, nenhuma amostra teria sobrevivido para que os geólogos pudessem estudá-la. Mas esses cristais de zircão indicavam um mundo mais ameno e familiar, além de fornecer meios para esclarecer os seus segredos. Se o clima da Terra era frio o bastante para que existissem oceanos de água logo no começo, então talvez os cristais de zircão pudessem nos revelar se os continentes e outros aspectos da Terra moderna já existiam também naquele tempo. Para tanto, tínhamos de olhar mais fundo nos cristais.

Mesmo o menor dos cristais de zircão contém outros materiais encapsulados. Esse conteúdo, bem como o padrão de crescimento dos cristais e a composição das impurezas, podem revelar muito sobre o local de origem do zircão. Quando Peck e eu estudamos cristais de 4,4 bilhões de anos, por exemplo, descobrimos que continham partes de outros minerais, inclusive quartzo. Isso nos causou surpresa, já que o quartzo é raro nas rochas primitivas e provavelmente não existia na primeira crosta que se formou sobre a Terra. A maior parte do quartzo vem de rochas graníticas, comuns em crosta continental que se formou posteriormente.

Se os cristais de zircão do conglomerado de Jack Hill vieram de uma rocha granítica, tal evidência daria suporte à hipótese de que são amostras do primeiro continente criado no mundo. Mas é preciso ter cautela, pois uma pequena quantidade de quartzo pode se formar nos últimos estágios da cristalização do magma, mesmo se a rocha matriz não for granítica. Por exemplo, cristais de zircão e uns poucos grãos de quartzo foram descobertos na Lua, onde nunca surgiu uma crosta granítica do tipo continental. Causaria surpresa a alguns cientistas se os cristais de zircão mais antigos da Terra tivessem se formado num ambiente parecido com o da Lua primitiva ou, então, por algum outro meio que hoje já não é mais comum, como o impacto de meteoritos gigantes ou vulcanismo profundo. Até agora, porém, não descobrimos evidências convincentes para essas hipóteses. Há indícios, contudo, a favor da crosta continental nos elementos-traço (aqueles que substituem o zircão em níveis abaixo de 1%). Os cristais do conglomerado de Jack Hills têm elevada concentração desses elementos, bem como padrões de európio e cério que são mais comumentes formados durante a cristalização da crosta, o que significa que os zircões foram constituídos próximos à superfície da Terra e não no manto. Além disso, as proporções dos isótopos radioativos de neodímio e háfnio – dois elementos usados para determinar o tempo dos eventos de criação da crosta continental – sugerem que partes significativas da crosta continental formaram-se já há 4,4 bilhões de anos.

A distribuição dos cristais de zircão antigos nos forneceu evidências adicionais. A proporção de cristais de zircão com mais de 4 bilhões de anos excede 10% em algumas amostras do conglomerado de Jack Hills. Além disso, sua superfície está altamente desgastada, e as faces originalmente angulosas estão arredondadas, sugerindo que os cristais foram impelidos para longe de sua rocha originária. Como puderam viajar centenas ou milhares de quilômetros, em forma de areia levada pelo vento, e ainda assim se concentrar em um mesmo local, a menos que houvesse uma grande quantidade deles? Como escaparam de ser soterrados e fundidos no calor do manto a menos que uma fina crosta de tipo continental fosse estável o bastante para preservá-los? Essas descobertas implicam que os cristais de zircão já foram abundantes e se originaram em uma região ampla, possivelmente uma massa de terra continental. Se foi assim, é provável que as rochas daquele tempo ainda existam; uma perspectiva entusiasmante, pois seria possível aprender muito com uma rocha intacta dessa idade.

Além do mais, a distribuição por idade dos zircões antigos é desigual. As datações se aglomeram em certos períodos de tempo, e nenhum cristal de outras eras foi descoberto. Meu ex-aluno de graduação Aaron J. Cavosie, hoje professor assistente da Universidade de Porto Rico, descobriu tal evidência mesmo em zircões de zona única, nos quais o núcleo se formou mais cedo, há cerca de 4,3 bilhões, com crescimento circundante posterior, entre 3,3 bilhões e 3,7 bilhões de anos atrás. Na borda, o zircão é mais jovem do que no núcleo, já que os cristais crescem concentricamente pela adição de material aos grãos que estão na parte mais externa. Mas a grande diferença etária, com lapsos de tempo, entre os centros e as bordas desses cristais de zircão indica que dois eventos distintos ocorreram, separados por um intervalo maior. Nos cristais de zircão mais jovens, fáceis de obter, esse tipo de relação etária do centro para a borda resulta dos processos tectônicos que derretem a crosta continental e reciclam os cristais que estão no seu interior. Muitos cientistas tentam testar se condições similares produziram os antigos cristais de zircão do conglomerado de Jack Hills.

Mais recentemente, E. Bruce Watson, do Instituto Politécnico Rensselaer, e Mark Harrison, da Universidade Nacional Australiana, relataram níveis de titânio menores do que o esperado nesses antigos cristais de zircão, sugerindo que a temperatura de seu magma original deve ter sido de entre 800oC e 650oC. Essa temperatura baixa seria possível somente se as rochas-matriz fossem graníticas; a maioria das rochas não-graníticas derrete a altas temperaturas, e assim os seus zircões deveriam conter mais titânio.

Um zircão é para Sempre
Desde que meus colegas e eu analisamos as proporções de isótopos de oxigênio naqueles cinco cristais de zircão de Jack Hills, em 1999, os dados que sustentam nossas conclusões aumentaram rapidamente. Investigadores em Perth, Canberra, Pequim, Los Angeles, Edimburgo, Estocolmo e Nancy estão analisando dezenas de milhares de cristais de zircão de Jack Hills com o auxílio de microssondas iônicas e outras técnicas de datação, em busca de amostras com mais de 4 bilhões de anos.

Centenas de cristais de zircão recentemente descobertos vieram de várias localidades com idade entre 4 bilhões e 4,4 bilhões de anos. Alguns foram achados 300 km ao sul do conglomerado de Jack Hills. Geoquímicos examinam outras antigas regiões da Terra, na esperança de descobrir os primeiros cristais de zircão anteriores a 4,1 bilhões de anos fora da Austrália.

A intensificação das buscas está estimulando o aperfeiçoamento das tecnologias. Cavosie obteve análises com mais exatidão e identificou mais de 20 cristais de zircão do conglomerado de Jack Hills com alta proporção de isótopos de oxigênio, o que indica temperaturas mais frias na superfície e a presença de oceanos há 4,2 bilhões de anos. Meus colegas e eu continuamos as buscas, com o auxílio do primeiro modelo da mais nova geração de microssonda iônica, a Cameca IMS-128, instalada no meu laboratório em março passado.

Muitas questões serão respondidas se pedaços das rochas originais que formam os cristais de zircão puderem ser identificados. Mas, mesmo que isso não ocorra, ainda temos muito o que aprender com essas minúsculas cápsulas do tempo.

 

Para conhecer mais 

 A cool early Earth. John W. Valley, William H. Peck, Elizabeth M. King e Simon A. Wilde, em Geology, vol. 30, no 4, págs. 351-354, abril de 2002.

Magmatic d18O in 4400-3900 Ma detrital zircons: a record of the alteration and recycling of crust in the early Archean. Aaron. J. Cavosie, J. W. Valley, S. A. Wilde e the Edinburgh Ion Microprobe Facility, em Earth and Planetary Science Letters, vol. 235, no 3, págs. 663-681, 15 de julho de 2005.

O website do autor, “Zircons are forever” está no endereço www.geology.wisc.edu/zircon/zircon-home.html

John W. Valley Completou o doutorado em 1980 pela Universidade de Michigan em Ann Arbor, onde começou a se interessar pela Terra em seu estado primitivo. Ele e seus alunos passaram a explorar o registro das rochas mais antigas por toda a América do Norte e Austrália, Groenlândia e Escócia. Hoje, Valley é presidente da Sociedade Mineralógica da América e professor de geologia da Universidade de Wisconsin-Madison, onde fundou o sofisticado laboratório WiscSIMS.

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