Desvendando o mistério da formação do nosso planeta Understand article

Traduzido por Artur Melo. O estudo da composição química de algumas das rochas mais antigas do planeta revolucionou a nossa compreensão acerca do processo de formação dos continentes.

Imagem cortesia de Reto
Stöckli, Nazmi El Saleous e
Marit Jentoft-Nilsen, NASA
GSFC

Por vezes mesmo os mais pequenos fragmentos de rocha podem esconder grandes segredos. A recente análise química de rochas africanas revelou que os continentes atuais podem ter iniciado a sua formação mais de mil milhões de anos antes do que se pensava até agora.

O nosso globo sofreu alterações ao longo do tempo

A Terra formou-se há cerca de 4.6 mil milhões de anos, a partir de materiais de uma nuvem molecular gigantesca chamada nebulosa solar. A gravidade levou estes materiais a condensar-se numa esfera – a Terra, com os mais densos a formarem o núcleo e os menos densos na constituição do manto. A crusta e a parte superior do manto – que em conjunto constituem a litosfera – formaram placas rigidas, que se deslocam horizontalmente sobre uma zona inferior do manto mais maleável – a astenosfera (figura 1).

Figura 2: A evolução da litosfera desde o eon Arcaico até à actualidade:

A) Durante o eon Arcaico (entre 4 e 2.5 mil milhões de anos), a litosfera fragmentou-se em inúmeras pequenas placas.

B) Há cerca de 1000 milhões de anos, durante o eon Proterozóico, pensa-se que as placas se reuniram, formando uma única massa continental: Rodinia.
1: Sibéria; 2: Austrália; 3: Antártida Oriental; 4: Laurentia; 5: Báltica; 6: Amazónia; 7: África Ocidental; 8: Cratão do Congo; 9: Índia.

C) À medida que os continentes se começaram a separar e se juntaram novamente, deram progressivamente origem ao planeta que hoje conhecemos. Pensa-se que este movimento teve início no Proterozóico tardio, há cerca de 900 milhões de anos.
Imagens cortesia de Hervé Martin (A, C), Kieff / Wikimedia Commons (B)

A distribuição destas placas sofreu alterações drásticas ao longo do tempo (figura 2). Há cerca de 2.5 a 4 mil milhões de anos – durante o eon Arcaico – a litosfera foi fragmentada em placas bastante mais pequenas que os atuais continentes. Mais tarde, durante o eon Proterozóico, essas placas juntaram-se formando um único supercontinente chamado Rodinia. É normalmente aceite que era esta a situação há mil milhões de anos. Subsequentemente, os continentes começaram a separar-se desta massa continental, formando progressivamente o planeta que conhecemos hoje. A fragmentação do Rodinia é conhecida como moderna tectónica de placas, que se pensa ter começado há cerca de 900 milhões de anos.

Figura 2: A evolução da litosfera desde o eon Arcaico até à actualidade:

A) Durante o eon Arcaico (entre 4 e 2.5 mil milhões de anos), a litosfera fragmentou-se em inúmeras pequenas placas.

B) Há cerca de 1000 milhões de anos, durante o eon Proterozóico, pensa-se que as placas se reuniram, formando uma única massa continental: Rodinia.
1: Sibéria; 2: Austrália; 3: Antártida Oriental; 4: Laurentia; 5: Báltica; 6: Amazónia; 7: África Ocidental; 8: Cratão do Congo; 9: Índia.

C) À medida que os continentes se começaram a separar e se juntaram novamente, deram progressivamente origem ao planeta que hoje conhecemos. Pensa-se que este movimento teve início no Proterozóico tardio, há cerca de 900 milhões de anos.
Imagens cortesia de Hervé Martin (A, C), Kieff / Wikimedia Commons (B)

À medida que este processo ocorre, as placas colidem. O movimento de uma placa por baixo de outra e o seu mergulho no manto, chama-se subducção (figura 1). A subducção é um processo lento que ocorre a pressões elevadas (cerca de 10 kbar) e a temperaturas inferiores a 500 ºC, e com um gradiente térmico inferior a 15 ºC por quilómetro.

Verificação da idade das rochas africanas

Figura 3: Bacia de ‘rochas
verdes’ na região de
Essakane no nordeste do
Burkina Faso. Em primeiro
plano podemos ver rochas
vulcânicas, chamadas
basaltos, fracamente
metamorfoseadas.

Imagem cortesia de Lenka
Baratoux

Na verdade, não nos preparámos para investigar a tectónica de placas. O objectivo do nosso estudo era utilizar uma nova técnica para conhecer melhor a formação das rochas metamórficas há cerca de 2 mil milhões de anos. Não esperávamos que o nosso trabalho tivesse implicações na tectónica de placas, que geralmente se pensa ter começado mil milhões de anos mais tarde.

Na primeira fase do nosso estudo visitámos várias centenas de sitios geológicos em África (figura 3) e coleccionámos amostras de ‘rochas verdes’. Sabe-se que estas rochas sofreram metamorfismo –transformação de um tipo de rocha noutro – há cerca de 2 mil milhões de anos. Com base em conhecimentos prévios sobre rochas metamórficas deste período, pensava-se que se teriam formado em condições de baixa pressão (até 5kbar) e a temperaturas entre 200 e 700 ºC.

Figura 4: Mapeamento
químico de uma rocha
metamórfica complexa com
quartzo (A), granada (B),
fengite (C), clorite (D) e
óxidos de ferro (Ox). A
imagem foi obtida no ESRF
usando raios-X de elevada
intensidade.

Imagem cortesia de Vincent
de Andrade

Em seguida, investigámos a composição mineralógica de amostras destas rochas por análise de microssonda electrónica. É um conjunto de técnicas que incluem a microscopia e a produção de imagens por difração de electrões, que diferenciam os elementos pesados, os quais dispersam melhor os electrões, dos elementos leves que não o fazem. Também realizámos o mapeamento químico, que mostra a localização de determinados minerais nas amostras.

Figura 5: Mapeamento
químico de pormenor
revelando três tipos de
óxidos de ferro: Ox1, pobre
em Fe3+; Ox3, rico em Fe3+; e
Ox2, com níveis intermédios
de Fe3+. A imagem foi obtida
no ESRF através de raios-X
de elevada intensidade.

Imagem cortesia de Vincent de
Andrade

Além disso, realizámos experiências na European Synchrotron Radiation Facility (ESRF; Ver caixa) para decifrar a estrutura química pormenorizada de algumas das amostras. Os raios-X do sincrotron são biliões de vezes mais brilhantes que os raios produzidos por um aparelho hospitalar de raios-X, permitindo uma resolução da estrutura da matéria com detalhes impossíveis de obter com raios-X normais.

Utilizando laminas muito finas de rocha, pudemos determinar a sua composição química. Descobrimos que continham quartzo, granada, fengite, clorite e óxidos de ferro (figuras 4 e 5). Mas qual a relação destes dados com o processo de formação das rochas e em que condições?

Para interpretar os resultados, realizámos cálculos em computador com base em diferentes parâmetros químicos que medimos. Por exemplo, analisámos a relação H2O:CO2 nos fluidos aprisionados no quartzo, e medimos a relação Fe3+:Fe2+ presente nas rochas (figura 5). Existem diferentes clorites (p. ex. clorite de magnésio, clorite de ferro) e várias formas de fengite (que podem conter, por exemplo, magnésio ou ferro). As variedades de clorites e fengites observadas nas rochas metamórficas dependem das condições existentes no momento de formação da rocha. Estas condições são as relações H2O:CO2 e Fe3+:Fe2+ assim como a pressão e a temperatura. A determinação destas relações nas nossas amostras permitiu-nos viajar para trás no tempo e calcular com precisão as condições de temperatura e pressão em que as rochas se formaram.

Revolucionar a tectónica de placas actual

Através destes cálculos, demonstrámos que a composição da clorite e da fengite nas rochas da África ocidental foi conseguida a pressão elevada (cerca de 10 kbar) e a temperatura reduzida, inferior a 500 ºC. Foi uma surpresa, porque estas condições de pressão e temperatura encontram-se em zonas de subducção. Como as rochas que estudámos têm mais de 2 mil milhões de anos, os resultados implicam que a tectónica de placas já existia há 2 mil milhões de anos, muito antes dos 900 milhões de anos que os cientistas consideravam ser correto.

A nossa investigação modificou o conhecimento científico sobre a geodinâmica da Terra. Quando começou, então, a tectónica de placas? Qual a extensão destes movimentos continentais gigantescos? Para resolver estas questões o nosso próximo passo será estudar rochas da mesma idade e outras mais antigas. Planeamos, em particular, visitar Yilgarn Craton na Austrália e a região de Barberton na África do Sul, para estudar as rochas metamórficas que contêm clorite e fengite.

Mais sobre a ESRF

European Synchrotron Radiation Facility (ESRFw1) é um dos mais importantes produtores de raios-X do mundo. Milhares de cientistas chegam anualmente ao ESRF para realizar experiências ligadas à ciência de materiais, biologia, medicina, física, química e paleontologia. O ESRF é membro doEIROforumw2, o editor da Science in School.

Localizado no sopé dos
Alpes Franceses, o European
Synchrotron Radiation
Facility utiliza feixes intensos
de raios-X para definir a
estrutura da matéria. Um
sincrotron é um tipo de
acelerador cíclico de
partículas: no ESRF, a luz do
sincrotron viaja a grande
velocidade no interior do
anel cinzento gigante.

Imagem cortesia de Ginter /
ESRF

 

Agradecimentos

Os autores querem agradecer o apoio de Dominique Cornuéjols, do departamento de comunicação do ESRF, na preparação e tradução de materiais para este artigo.

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Web References

  • w1 – Para saber mais sobre o ESRF.
  • w2 – EIROforum resulta da colaboração de oito das maiores organizações internacionais de investigação científica governamentais da Europa, que conjugam os seus recursos, instalações e conhecimentos para ajudar a ciência europeia a alcançar o seu potencial pleno. Incluida nas suas actividades de educação e sensibilização, o EIROforum publica a Science in School.

Resources

Institution

ESRF

Author(s)

O Dr Jérôme Ganne é responsável por um projecto de investigação no ‘Research Institute for Development’ (IRD) situado no GET Lab da Universidade de Toulouse III, França, onde a sua pesquisa está orientada para os processos tectónicos que controlam a formação e destruição de cordilheiras montanhosas. Em colaboração com o IRD, constituiu uma equipa de jovens investigadores na Universidade Cheikh Anta Diop em Dakar, Senegal. Também dá aulas em vários cursos superiores, em universidades da África oriental.

Após obter o PhD em Ciências da Terra, Vincent de Andrade tornou-se um cientista de ‘beamline’ no ‘European Synchrotron Radiation Facility’. Em 2010, foi integrado no ‘National Synchrotron Light Source-II’ situado no ‘Brookhaven National Laboratory’ como cientista associado para construir o SRX, um espectroscópio de ‘beamline’com micro- e nanosondas muito intensas. Vincent especializou-se em imagiologia química de geomateriais complexos heterogéneos para melhor conhecimento da sua génese e transformações sofridas.


Review

Este artigo sobre as descobertas de dois cientistas em tectónica de placas oferece um pouco de investigação de topo. Num estilo claro e conciso, os autores conduzem os leitores desde os conceitos básicos da teoria da tectónica de placas até ao objecto da sua investigação, focando-se nas implicações para a história da Terra e nas novas questões levantadas por este avanço.

Como professora de Ciências da Terra acho o artigo interessante por várias razões:

  • Concentra-se num período da história da Terra que raramente é abordado nos manuais escolares.
  • Oferece uma visão interessante sobre o início da tectónica de placas.
  • Fornece detalhes da metodologia e equipamento usados na investigação.
  • É um exemplo vívido do método científico.

Recomendo este artigo aos professores do ensino secundário interessados em entusiasmar os seus alunos para a geologia e investigação científica em geral. Ele pode constituir uma leitura de apoio valiosa para estimular o interesse dos alunos, antes de abordar alguns temas geralmente considerados enfadonhos, tais como minerais e tectónica de placas.

O texto oferece várias ligações não apenas para tópicos de geologia (história da Terra, tectónica de placas, mineralogia, ciclo das rochas, geoquímica, técnicas de pesquisa, África, cinturas de ‘rochas verdes’ e mineração de ouro), mas também de química (óxidos de ferro e reacções redox) e de física (raios-X e equipamentos de radiação sincrotron, microscópio electrónico de scanning, pressão, temperatura e transições de fase). Além disso, é um bom caso de estudo para discutir o método científico.

Dada a linguagem utilizada na redacção do texto, o artigo pode facilmente ser usado para questões de aplicação, tais como:

  1. Os minerais estudados formaram-se em condições de:
    1. Pressão elevada (10 kbar) e baixa temperatura (menos de 500 °C)
    2. Baixa pressão (5 kbar) e temperatura elevada (mais de 700 °C)
    3. Baixa pressão (5 kbar) e temperaturas entre 200 e 700 °C
    4. Pressão elevada (10 kbar) e temperaturas entre 200 e 700 °C.
  2. A composição dos diferentes tipos de clorite e de fengite depende de:
    1. Proporção relativa de H2O e CO2
    2. Proporção relativa de Fe2+ to Fe3+
    3. Temperatura e pressão de formação
    4. Todos os anteriores.

Giulia Realdon, Itália




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