- Objectivos da aula
- Anéis de árvores
- Núcleos de gelo e varves
- Idade da Terra
- Decaimento radioativo
- Datação radiométrica de rochas
- Resumo da lição
- Perguntas de revisão
- Vocabulário
- Pontos a considerar
Como aprendemos na lição anterior, os fósseis-índice e a sobreposição são métodos eficazes para determinar a idade relativa dos objectos. Por outras palavras, pode usar a sobreposição para dizer que uma camada de rocha é mais antiga do que outra. Mas determinar a idade absoluta Para o conseguir, os cientistas utilizam uma variedade de provas, desde os anéis das árvores até às quantidades de materiais radioactivos existentes numa rocha.
Objectivos da aula
- Definir a diferença entre idade absoluta e idade relativa.
- Descrever quatro métodos de datação absoluta.
- Explicar o que é a radioatividade e dar exemplos de decaimento radioativo.
- Explicar como o decaimento de materiais radioactivos ajuda a determinar a idade de um objeto.
- Estimar a idade de um objeto, tendo em conta a meia-vida e as quantidades de materiais radioactivos e de materiais filhas.
- Dê quatro exemplos de materiais radioactivos que são utilizados para datar objectos e explique como cada um deles é utilizado.
Anéis de árvores
Nas regiões fora dos trópicos, as árvores crescem mais rapidamente durante os meses quentes de verão do que durante o inverno mais frio. Este padrão de crescimento resulta em faixas alternadas de "madeira inicial" de cor clara e de baixa densidade e de "madeira tardia" escura e de alta densidade. Cada faixa escura representa um inverno; através da contagem dos anéis é possível determinar a idade da árvore (Figura 11.22). A largura de uma série de anéis de crescimentoAs secas e outras variações no clima fazem com que a árvore cresça mais devagar ou mais depressa do que o normal, o que se reflecte na largura dos anéis das árvores. Estas variações nos anéis das árvores aparecem em todas as árvores que crescem numa determinada região, pelo que os cientistas podem comparar os anéis de crescimento de árvores vivas e mortas.Este registo de anéis de árvores tem-se revelado extremamente útil na criação de um registo das alterações climáticas e na descoberta da idade de estruturas antigas.
Figura 11.22 A parte grossa e clara de cada anel representa o crescimento rápido da primavera e do verão. A parte fina e escura de cada anel representa o crescimento lento do outono e do inverno.
Núcleos de gelo e varves
Vários outros processos resultam na acumulação de camadas anuais distintas que podem ser utilizadas para a datação. Por exemplo, formam-se camadas dentro dos glaciares porque tende a haver menos queda de neve no verão, permitindo que uma camada escura de poeira se acumule sobre a neve do inverno (Figura 11.23). Para estudar estes padrões, os cientistas perfuram profundamente os lençóis de gelo, produzindo núcleos com centenas de metros de comprimento.Os cientistas analisam estes núcleos de gelo para determinar como o clima mudou ao longo do tempo, bem como para medir as concentrações de gases atmosféricos. Os núcleos mais longos ajudaram a formar um registo do clima polar que remonta a centenas de milhares de anos.
Figura 11.23 Secção do núcleo de gelo mostrando camadas anuais.
Um outro exemplo de camadas anuais é a deposição de sedimentos nos lagos, especialmente nos lagos situados na extremidade dos glaciares. O derretimento rápido do glaciar no verão resulta num depósito espesso e arenoso de sedimentos. Estas camadas espessas alternam com camadas finas e ricas em argila depositadas durante o inverno. As camadas resultantes, chamadas varizes Por exemplo, um verão especialmente quente pode resultar numa camada muito espessa de sedimentos depositados pelo glaciar em fusão. Varves mais finas podem indicar Verões mais frios, porque o glaciar não derrete tanto e não transporta tantos sedimentos para o lago.
Idade da Terra
Figura 11.24 Lord Kelvin.
Embora os anéis das árvores e outras camadas anuais sejam úteis para datar acontecimentos relativamente recentes, não são de grande utilidade na vasta escala do tempo geológico. Durante os séculos XVIII e XIX, os geólogos tentaram estimar a idade da Terra com técnicas indirectas. Por exemplo, os geólogos mediram a rapidez com que os cursos de água depositavam sedimentos, para tentar calcular há quanto tempo o curso de água existia.Não é de surpreender que estes métodos tenham resultado em estimativas muito diferentes, desde alguns milhões de anos até "quadriliões de anos". Provavelmente, a mais fiável destas estimativas foi produzida pelo geólogo britânico Charles Lyell, que calculou que tinham passado 240 milhões de anos desde o aparecimento dos primeiros animais com conchas.ocorreu há cerca de 530 milhões de anos.
Em 1892, William Thomson (mais tarde conhecido como Lord Kelvin) calculou a idade da Terra de uma forma sistemática (Figura 11.24). Partiu do princípio de que a Terra começou como uma bola de rocha derretida, que foi arrefecendo ao longo do tempo. A partir destes pressupostos, calculou que a Terra tinha 100 milhões de anos. Esta estimativa foi um golpe para os geólogos e apoiantes da teoria da evolução de Charles Darwin, queexigiu uma Terra mais antiga para dar tempo à evolução.
No entanto, os cálculos de Thomson rapidamente se revelaram incorrectos quando a radioatividade foi descoberta em 1896. Radioatividade é a tendência de certos átomos para se decomporem em átomos mais leves, emitindo energia no processo. Os materiais radioactivos no interior da Terra fornecem uma fonte constante de calor. Os cálculos da idade da Terra utilizando a decomposição radioactiva mostraram que a Terra é, na realidade, muito mais velha do que Thomson calculou.
Decaimento radioativo
A descoberta de materiais radioactivos fez mais do que refutar a estimativa de Thomson sobre a idade da Terra. Forneceu uma forma de encontrar a idade absoluta de uma rocha. Para compreender como isto é feito, é necessário rever alguns factos sobre os átomos.
Os átomos contêm três partículas: protões, neutrões e electrões. Os protões e os neutrões estão localizados no núcleo, enquanto os electrões orbitam em torno do núcleo. O número de protões determina o elemento que está a ser examinado. Por exemplo, todos os átomos de carbono têm seis protões, todos os átomos de oxigénio têm oito protões e todos os átomos de ouro têm 79 protões. O número de neutrões, no entanto, é variável. Umum átomo de um elemento com um número diferente de neutrões é um isótopo Por exemplo, o isótopo carbono-12 contém 6 neutrões no seu núcleo, enquanto o isótopo carbono-13 tem 7 neutrões.
Alguns isótopos são radioativo Isto significa que o átomo mudará espontaneamente de uma forma instável para uma forma estável. Existem duas formas de decaimento nuclear que são relevantes na forma como os geólogos podem datar as rochas (Tabela 11.1):
| Partícula | Composição | Efeito no núcleo |
|---|---|---|
| Alfa | 2 protões, 2 neutrões | O núcleo contém menos dois protões e menos dois neutrões. |
| Beta | 1 eletrão | Um neutrão decai para formar um protão e um eletrão, que é emitido. |
Se um elemento decair por perda de uma partícula alfa, perderá 2 protões e 2 neutrões. Se um átomo decair por perda de uma partícula beta, perderá apenas um eletrão.
O que é que isto tem a ver com a idade da Terra? O decaimento radioativo acaba por resultar na formação de produtos para filhas Os materiais radioactivos decaem a taxas conhecidas. À medida que o tempo passa, a proporção de isótopos radioactivos diminui e a proporção de isótopos-filhas aumenta. Uma rocha com uma proporção relativamente elevada de isótopos radioactivos é provavelmente muito jovem, enquanto uma rocha com uma proporção elevada de produtos-filhas é provavelmente muito antiga.
Os cientistas medem a taxa de decaimento radioativo com uma unidade chamada meia-vida A meia-vida de uma substância radioactiva é o tempo que, em média, demora metade dos átomos a decair. Por exemplo, imagine uma substância radioactiva com uma meia-vida de um ano. Quando uma rocha é formada, contém um certo número de átomos radioactivos. Após um ano (uma meia-vida), metade dos átomos radioactivos decaíram para formar produtos-filhas estáveis e 50% dos átomos radioactivos decaíram para formar produtos-filhas estáveis.Após mais um ano (duas meias-vidas), metade dos restantes átomos radioactivos decaíram e restam 25% dos átomos radioactivos. Após o terceiro ano (três meias-vidas), restam 12,5% dos átomos radioactivos. Após quatro anos (quatro meias-vidas), restam 6,25% dos átomos radioactivos e após 5 anos (cinco meias-vidas), restam apenas 3,125% dos átomos radioactivos.
Se encontrarmos uma rocha cujo material radioativo tem uma semi-vida de um ano e medirmos 3,125% de átomos radioactivos e 96,875% de átomos filhas, podemos assumir que a substância tem 5 anos. O decaimento de materiais radioactivos pode ser representado por um gráfico (Figura 11.25). Se encontrarmos uma rocha com 75% dos átomos radioactivos remanescentes, que idade tem?
Figura 11.25 Desintegração de uma substância radioactiva imaginária com uma meia-vida de um ano.
Datação radiométrica de rochas
No processo de datação radiométrica A utilização de vários isótopos diferentes ajuda os cientistas a verificar a exatidão das idades que calculam.
Datação por carbono
A atmosfera terrestre contém três isótopos de carbono. O carbono-12 é estável e representa 98,9% do carbono atmosférico. O carbono-13 também é estável e representa 1,1% do carbono atmosférico. O carbono-14 é radioativo e encontra-se em quantidades ínfimas. O carbono-14 é produzido naturalmente na atmosfera quando os raios cósmicos interagem com os átomos de azoto. A quantidade de carbono-14 produzida na atmosfera em qualquerO tempo específico tem-se mantido relativamente estável ao longo do tempo.
O carbono-14 radioativo decai para azoto-14 estável através da libertação de uma partícula beta. Os átomos de azoto perdem-se na atmosfera, mas a quantidade de decaimento do carbono-14 pode ser estimada medindo a proporção de carbono-14 radioativo em relação ao carbono-12 estável.
O carbono é removido da atmosfera pelas plantas durante o processo de fotossíntese. Os animais consomem esse carbono quando comem plantas ou outros animais que comeram plantas. Portanto, a datação por carbono-14 pode ser usada para datar restos de plantas e animais. Exemplos incluem madeiras de uma construção antiga, ossos ou cinzas de uma fogueira. A datação por carbono pode ser usada de forma eficaz para encontrar a idade dos materiaisentre 100 e 50.000 anos de idade.
Datação Potássio-Argão
O potássio-40 decompõe-se em árgon-40 com uma meia-vida de 1,26 mil milhões de anos. Como o árgon é um gás, pode escapar do magma fundido ou da lava. Por isso, qualquer árgon que se encontre num cristal formou-se provavelmente como resultado do decaimento do potássio-40. A medição da razão entre o potássio-40 e o árgon-40 dará uma boa estimativa da idade da amostra.
O potássio é um elemento comum encontrado em muitos minerais como o feldspato, a mica e o anfibólio. A técnica pode ser utilizada para datar rochas ígneas com idades compreendidas entre 100 000 anos e mais de mil milhões de anos. Como pode ser utilizada para datar materiais geologicamente jovens, a técnica tem sido útil para estimar a idade de depósitos que contêm ossos de antepassados humanos.
Datação Urânio-Chumbo
Dois isótopos de urânio são usados para datação radiométrica. O urânio-238 decai para formar chumbo-206 com uma meia-vida de 4,47 bilhões de anos. O urânio-235 decai para formar chumbo-207 com uma meia-vida de 704 milhões de anos.
A datação por urânio e chumbo é geralmente realizada em cristais do mineral zircão (Figura 11.26). Quando o zircão se forma numa rocha ígnea, os cristais aceitam prontamente átomos de urânio, mas rejeitam átomos de chumbo. Portanto, se algum chumbo for encontrado num cristal de zircão, pode-se presumir que foi produzido a partir do decaimento do urânio.
Figura 11.26 : Zircão cristal.
A datação por urânio-chumbo pode ser usada para datar rochas ígneas de 1 milhão de anos a cerca de 4,5 bilhões de anos. Algumas das rochas mais antigas da Terra foram datadas usando este método, incluindo cristais de zircão da Austrália que têm 4,4 bilhões de anos.
Limitações da datação radiométrica
A datação radiométrica só pode ser utilizada em materiais que contenham quantidades mensuráveis de materiais radioactivos e dos seus produtos derivados. Isto inclui restos orgânicos (que, em comparação com as rochas, são relativamente jovens, com menos de 100 000 anos) e rochas mais antigas. Idealmente, serão utilizadas várias técnicas radiométricas diferentes para datar a mesma rocha. A concordância entre estes valores indica que aa idade calculada é exacta.
Em geral, a datação radiométrica funciona melhor para as rochas ígneas e não é muito útil para determinar a idade das rochas sedimentares. Para estimar a idade de um depósito de rocha sedimentar, os geólogos procuram rochas ígneas próximas ou intercaladas que possam ser datadas. Por exemplo, se uma camada de rocha sedimentar estiver imprensada entre duas camadas de cinzas vulcânicas, a sua idade está entre as idades das duas camadas de cinzas.
Utilizando uma combinação de datação radiométrica, fósseis-índice e sobreposição, os geólogos construíram uma cronologia bem definida da história da Terra. Por exemplo, um fluxo de lava sobrejacente pode dar uma estimativa fiável da idade de uma formação rochosa sedimentar num local. Os fósseis-índice contidos nesta formação podem então ser comparados com fósseis num local diferente, fornecendo uma boa idadeÀ medida que este processo se foi repetindo por todo o mundo, as nossas estimativas das idades das rochas e dos fósseis foram-se tornando cada vez mais exactas.
Resumo da lição
Técnicas como a sobreposição e os fósseis-índice podem indicar a idade relativa dos objectos, quais os objectos mais velhos e quais os mais novos. São necessários outros tipos de provas para estabelecer a idade absoluta dos objectos em anos. Os geólogos utilizam uma variedade de técnicas para estabelecer a idade absoluta, incluindo a datação radiométrica, anéis de árvores, núcleos de gelo e depósitos sedimentares anuais chamados varves.
A datação radiométrica é a mais útil destas técnicas - é a única técnica que pode estabelecer a idade de objectos com mais de alguns milhares de anos. As concentrações de vários isótopos radioactivos (carbono-14, potássio-40, urânio-235 e -238) e os seus produtos derivados são utilizados para determinar a idade das rochas e dos restos orgânicos.
Perguntas de revisão
- Quais são as quatro técnicas utilizadas para determinar a idade absoluta de um objeto ou acontecimento?
- Uma substância radioactiva tem uma meia-vida de 5 milhões de anos. Qual é a idade de uma rocha na qual restam 25% dos átomos radioactivos originais?
- Uma cientista está a estudar um pedaço de tecido de um antigo local de enterro. Ela determina que 40% dos átomos de carbono-14 originais permanecem no tecido. Com base no gráfico de decaimento do carbono (Figura 11.27), qual é a idade aproximada do tecido?
Figura 11.27 Decaimento radioativo do carbono-14
- Um pedaço de granito com 4 mil milhões de anos.
- Um leito de cinzas vulcânicas com um milhão de anos que contém as pegadas de hominídeos (antepassados humanos).
- O pelo de um mamute lanoso que foi recentemente recuperado congelado num glaciar.
- Uma trilobite fossilizada recuperada de um leito de arenito com cerca de 500 milhões de anos.
Vocabulário
- idade absoluta
- A idade de um objeto em anos.
- partícula alfa
- Partícula constituída por dois protões e dois neutrões que é ejectada do núcleo durante o decaimento radioativo.
- partícula beta
- Partícula constituída por um único eletrão que é ejectado do núcleo durante o decaimento radioativo. Uma partícula beta é criada quando um neutrão decai para formar um protão e o eletrão emitido.
- produto-filha
- Substância estável que é produzida pelo decaimento de uma substância radioactiva. Por exemplo, o urânio-238 decai para produzir chumbo-207.
- meia-vida
- Tempo necessário para que metade dos átomos de uma substância radioactiva decaia e forme produtos derivados.
- núcleo de gelo
- Cilindro de gelo extraído de um glaciar ou de um manto de gelo.
- radioativo
- Substância instável e suscetível de emitir partículas energéticas e radiações.
- radioatividade
- Emissão de partículas e/ou radiações de alta energia por certos átomos instáveis.
- datação radiométrica
- Processo de utilização das concentrações de substâncias radioactivas e produtos derivados para estimar a idade de um material. À medida que as substâncias envelhecem, as quantidades de átomos radioactivos diminuem e as quantidades de produtos derivados aumentam.
- anel de árvore
- Camada de madeira de uma árvore que se forma num ano. É possível determinar a idade de uma árvore contando os seus anéis.
- varvar
- Camada fina de sedimentos depositados no leito de um lago ao longo de um ano, normalmente encontrada no fundo de lagos glaciares.
Pontos a considerar
- Porque é que técnicas como anéis de árvores, núcleos de gelo e varves só são úteis para acontecimentos que ocorreram nos últimos milhares de anos?
- Porque é que era tão importante para Darwin e os seus seguidores provar que a Terra era muito antiga?
- Por que razão é importante utilizar mais do que um método para determinar a idade de uma rocha ou de outro objeto?