Aula 10 - Tempo Geológico

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Tempo Geológico
Literatura de Apoio
http://semanact.mct.gov.br/upd_blob/0000/151.pdf
www.cnen.gov.br/ensino/apostilas/radio.pdf
Sumário
• Idade da Terra;
• Tentativas de determinação da idade da Terra;
• Radioatividade;
• O que é radioatividade?
• Isótopos;
• Decaimento radioativo;
• Tipos de datação;
• Exercício;
Idade da Terra
• A idéia de que a Terra poderia ser
extremamente antiga só emerge por volta do
século XVIII;
• Antes disso, havia forte influência religiosa na
civilização ocidental sendo que cada religião
tinha seu cálculo da data da Criação;
• Calendário Judaico: Criação em 3761 a.C.;
• Cal. Bizantino: 5508 a.C.;
• Bispo James Ussher (1656) publica tratado da
cronologia bíblica: Terra tem aprox. 6000
anos;
Período Iluminista (metade do século XVIII):
Novas teorias surgem – o Sistema Solar, a Terra e a vida
não teriam sido criadas por Deus durante seis dias, mas
por processos naturais complexos e de longa duração;
• Edmond Halley (astrônomo inglês) em 1715: propõe uma
maneira científica de estimar a idade da Terra –
determinando o tempo necessário para acúmulo de sais
nos oceanos (pressupondo-se que antes a água era
doce);
– Medindo a quantidade de sal num determinado momento e
novamente uma década mais tarde para determinar o acréscimo
anual fornecido pelos rios; Difícil execução;
• Georges Louis Leclerc (Conde de Buffon), 1749:
filósofo e naturalista francês, realizou experimentos e
concluiu que a Terra teria idade entre 75 mil e 168
mil anos (publicado), mas secretamente até 3
milhões de anos (manuscrito);
“Abismo temporal”
• William Smith (pai da estratigrafia) em 1815 publica
o primeiro mapa do mundo retratando a geologia da
Inglaterra;
– Percebeu que camadas de rochas poderiam ser
ordenadas com base em suas características e ordem dos
fósseis contidos;
– Sabendo disso, Smith diz que um grupo de fósseis ocorrem
no registro geológico invariavelmente, de modo que, se
conhecida esta ordem, é possível correlacionar a idade das
camadas a partir do conteúdo fossilífero (princípio da
sucessão fóssil);
• Georges Cuvier (1769 – 1832), naturalista francês
desenvolve métodos de descrição de fósseis por
anatomia comparada e melhor compreensão dos seres
“desaparecidos” (extintos) e viventes (Catastrofismo);
• Cuvier não aceitava a ideia de que a existência de seres
extintos implicasse em evolução (fixismo);
• Logo, propõe o Catastrofismo como forma de explicar o
desaparecimento das espécies. Parte do princípio que
ocorreram catástrofes naturais como inundações,
terremotos e formação de cadeias de montanhas.
Plantas e animais que viviam nestas áreas geralmente
morriam e novas espécies se formavam e migravam para
outras regiões;
• Como resultado, o registro fóssil apresenta grandes
mudanças abruptas de espécies;
http://www.ucmp.berkeley.
edu/history/cuvier.html
• Charles Lyell publica entre 1830 e 1833 três volumes
intitulado Princípios da Geologia;
• Para Lyell, o Catastrofismo era uma teoria errônea,
pois a Terra estava sujeita a mesma sorte de
processos naturais*, lentos e progressivos, que
ocorreram no passado e que operam hoje;
• Logo, Lyell juntou evidências para validar o termo
proposto anteriormente por James Hutton, o
Uniformitarismo, cujo lema é:
“O presente é a chave do passado”
*Erosão, terremotos, erupções vulcânicas, decomposição de plantas e etc.
• Os processos geológicos do passado teriam sido iguais aos
atuais, até em gênero e intensidade (uniformes);
• Charles Darwin é influenciado por Lyell – as espécies surgiam e
se extinguiam na medida em que os organismos se adaptavam
por seleção natural num processo lento e contínuo, e não por
pulsos de extinção e recriação como no catastrofismo;
• Para Darwin a evolução se iniciou há milhares de anos, o que
despertou o interesse em se determinar a idade absoluta do
registro geológico;
• Darwin tenta calcular o tempo de exposição de
rochas fossilíferas do Sul da Inglaterra baseado em
taxas de erosão marinha. Chegou a um valor de 300
milhões de anos para aquelas rochas, concluindo que
a Terra pudesse ter bilhões de anos;
• Problema – Darwin pensou que as taxas de
denudação eram constantes ao longo do tempo;
• Uniformitarismo – revelou-se dogmático e não estritamente
verdadeiro, devido a evidências de que a atmosfera, os
oceanos, a crosta, o clima e a biosfera passaram por
mudanças profundas ao longo da história do planeta;
• Atualismo: princípio em que alega a constância, através do
tempo, das leis naturais que regem o funcionamento do
sistema Terra, mas não a uniformidade eterna dos processos e
produtos geológicos;
– Ex: lavas vulcânicas antigas indicam que houve vulcões que hoje estão
extintos ou cujas crateras já foram erodidas;
Tentativas de Determinação da Idade 
da Terra
• J. Ussher (1656) – 6000 anos (4004 a.C.);
• James Hutton (1795) – Terra muito velha, quase
eterna (nenhum começo, nenhum fim);
• Darwin (1859) – ordem de bilhões de anos;
• William Thompson (Lorde Kelvin, 1862):
– Através da Física tenta estabelecer a idade da Terra por
cálculos e modelos termodinâmicos;
– Kelvin deduziu, por meio do gradiente geotérmico, que a
Terra estava tornando-se mais fria gradativamente;
– Por condução térmica, postulou valores como temperatura
interna da Terra primitiva e atual, obtendo idades entre 25
e 400 milhões de anos;
• Em 1896 descobre-se a radioatividade e o modelo de
Kelvin é abandonado ao perceber a importância do
decaimento radioativo na produção do calor interno
da Terra;
• Problema - Kelvin superestimou a taxa de
resfriamento e não se conhecia a convecção térmica
que transfere calor do manto;
Radioatividade
• Em 1896, o físico francês, Henri Becquerel (1852 – 1908)
estava envolvido em estudos de materiais fosforescentes;
• Estudando sais de urânio, Becquerel expunha os sais à luz
solar. Em seguida, embrulhava os sais em papel opaco preto e
os colocava próximo a uma placa fotográfica. Observou que,
ao colocar uma moeda ou um pedaço de metal entre os sais e
a placa fotográfica, era possível criar uma imagem da moeda;
• Becquerel pensou que os materiais fosforescentes emitiam
raios X*
* A descoberta dos raios X foi feita um ano antes por Whilhelm Roentgen
• Henri Becquerel tenta repetir o experimento dias
depois, no entanto, o sol não brilha em Paris por
vários dias, logo, ele guarda as placas e os sais de
urânio numa gaveta;
• Becquerel decide revelar suas placas que não estavam
expostas e nota que havia impressões nas placas,
mesmo com os sais envolvidos num papel escuro e
guardado na gaveta por vários dias – um novo tipo de
raio era descoberto (intitulou de raios U);
http://lappweb.in2p3.fr/neutrinos/centenaire/rada.html
• Oito meses após os estudos de Becquerel, Marie e Pierre
Curie realizam pesquisas baseadas em suas descobertas.
Em sua tese de doutorado, Marie Curie apresenta a mesma
radioatividade para o Tório (Th);
• Em junho de 1898, Marie e Pierre isolam um material
milhões de vezes mais radioativo que o Urânio, o qual foi
denominado de Polônio; Assim, a partir do mineral
pechblenda (toneladas) extraíram um material 2,5 milhões
de vezes mais radioativo que o urânio, o rádio.
• Por essas descobertas, Becquerel, Marrie e Pierre Curie
dividem o prêmio Nobel de 1903;
• Mais tarde, após a morte de Pierre, Marie isola o metal de
rádio e ganha o Nobel de química em 1911;
pechblenda
Marrie e Pierre em seu
Pequeno laboratório.
http://lappweb.in2p3.fr/neutrinos/centenaire/rada.html
• Frederick Soddy e Ernest Rutherford (1900)
desenvolvem a teoria da Desintegração Radioativa;
“Átomos dos elementos radioativos se desintegram
espontaneamente formando átomos de outros elementos”
• Lord Rayleigh descobre que o Ra é largamente encontrado nas
rochas;
• A radioatividade gera calor nas rochas;
• Ernest Rutherford (1905) percebe que a radioatividade poderia
ser um meio eficaz de mensurar a idade das rochas e minerais;
• 1909, John Joly em parceria com Rutherford mede
concentrações de Th e Ra em diferentes rochas
(trabalhointitulado “Radioatividade e Geologia”);
• Joseph John Thomson é o pioneiro a estudar e
desenvolver técnicas de espectrografia de massa.
– Thomson descobre 212 isótopos de ocorrência natural
com seu espectrômetro de massa;
– Em 1906 Thomson ganha o Nobel por descobrir o elétron
em 1898;
Espectrômetro de Massa
• Francis William Aston em 1918 constrói um
espectrômetro de massa que analisava raios
positivos (prêmio Nobel de 1922);
• Bainbridge & Jordan (1936), Nier (1940) e
Inghram & Chupka (1953) desenvolvem
espectrômetros mais precisos com o avanço da
eletrônica;
Princípio do Espectrômetro de Massa
• Determina a massa molecular através da razão entre a massa e a
carga (m/z) de íons;
• Processo semelhante a uma fonte de luz e um prisma:
http://masspec.scripps.edu/mshistory/whatis
ms_details.php#Basics
No prisma, a luz de uma determinada
fonte de emissão é decomposta dentro
dele de acordo com os comprimentos
de onda, os quais são detectados por
um receptor óptico;
Similarmente ocorre com os íons dos
átomos analisados, segundo a razão
massa/carga.
Componentes Básicos de um 
Espectrômetro de Massa
Modificado de Diniz, M. E. R. (2011)
• Uma amostra de átomos é ionizada numa câmara de
vácuo;
• Os íons formados são acelerados formando uma
corrente de íons que passam por um campo
magnético;
• O campo magnético exerce uma força na corrente iônica
encurvando a sua trajetória;
• Os íons mais leves são mais defletidos que os pesados,
sendo os íons selecionados de acordo com suas massas;
• A abundância relativa de cada isótopo pode ser
medida através dos valores dos feixes de
elétrons produzidos por cada corrente de íons
de caminhos separados;
Exemplo de 
análise de 
isótopos de Sr
Relembrando: O Átomo
Núcleo (diâmetro de 10-12cm, 10.000 vezes < que a átomo):
Prótons (p+)- carga +1 – massa1
Nêutrons (n0)- carga neutra – massa 1
Eletrosfera:
Elétrons (e-)- carga -1 – massa 1/1840 massa do H
Caracterizado pelo seu núcleo e eletrosfera
O que é radioatividade?
• É o processo pelo qual um núcleo contendo muita energia,
por excesso de partículas, tende a estabilizar-se pela emissão
destas (radiação), transformando-se em outro núcleo de peso
atômico diferente (desintegração nuclear);
• Tipos de radiação:
– Alfa (α): grupo de partículas positivas constituídas por dois prótons e dois
nêutrons (núcleos de hélio);
– Beta (β): são os elétrons com carga negativa (-1);
• Ocorre a mudança de 1 nêutron em 1 próton.
– Gama (γ): radiação eletromagnética de alta energia. Não possui massa nem
carga (o que a diferencia é seu comprimento de onda);
• Elementos radioativos: são aqueles que
emitem radiação (alfa, beta ou gama);
• A radioatividade vem do núcleo atômico.
Foram identificados aproximadamente mais
de 300 isótopos de ocorrência natural. Desses,
264 são estáveis, ou seja, o núcleo nunca
libera energia. O restante são isótopos
radioativos.
Isótopos
• Elementos que possuem o mesmo número de 
prótons, mas diferentes números de nêutrons;
– Exemplo: o átomo de carbono sempre apresenta 6 prótons e 6
nêutrons. No entanto, outros átomos de carbono podem apresentar 6
prótons e 7 nêutrons e, portanto, nº de massa 13. Outros, apresentam
6 prótons e 8 nêutrons, logo, A = 14;
nº de massa (A) = nº de prótons + nº de nêutrons 
nº atômico (Z) = nº de prótons em seu núcleo
Símbolo do elemento
Todos os isótopos de carbono possuem 6 prótons (ou não seriam carbono). Contudo,
apresentam diferentes números de nêutrons e, portanto, diferente nº de massa.
• Os isótopos diferem nas propriedades radioativas;
• Os isótopos em que o nº de prótons e nêutrons está em
equilíbrio são chamados estáveis (leves);
– Ex:
• Entre elementos mais pesados, a estabilidade exige mais
prótons e nêutrons;
– Ex: o Pb-206, o isótopo mais estável do
chumbo, contém 82 prótons e 124 nêutrons.
• Se houver grande desequilíbrio entre a proporção de
nêutrons e prótons, seja de pouco ou muitos nêutrons, o
núcleo ifrer rá reação nuclear para se tornar mais estável;
Transmutação
• Conceito: Processo de transformação de um elemento
em outro;
– Ex:
Emissão beta – se um núcleo tiver mais nêutrons do que
precisa para atingir a estabilidade, poderá converter um
nêutron em um próton e um elétron.
O fósforo-32 é um emissor beta, em seu núcleo há 15
prótons e 17 nêutrons. Após a emissão de um elétron o
núcleo restante terá 16 prótons e 16 nêutrons: seu Z
aumenta em 1 unidade, porém, seu A continua o mesmo:
+
+
Emissão alfa – para elementos pesados a perda de
partículas alfa (α) é um processo de estabilização
importante:
Emissão gama – são raros, mas alguns núcleos são 
emissores gama puros (geralmente são acompanhadas de 
emissões α e β):
Nesse caso não houve transmutação de boro, pois o *
significa que o núcleo se encontra em estado de alta
energia. Após a emissão de raios gama o núcleo retorna ao
seu estado mais estável.
+
+ γ
Isótopos Estáveis e Radiogênicos
• Os estáveis (não radiogênicos) são aqueles em que o nº de
prótons e nêutrons são iguais mantendo o núcleo em
equilíbrio;
• Os instáveis (radioativos ou radiogênicos) resultam do
processo de desintegração radioativa;
• Os isótopos radiogênicos é de interesse para a datação do
tempo geológico, pois podem ser aprisionados por minerais;
• O elemento que sofre decaimento radioativo é chamado de
elemento-pai e o isótopo resultante em forma de menor
energia é o elemento-filho;
Formação do Carbono-14 e Decaimento
• O carbono possui três isótopos: 12C e 13C, estáveis, e 14C,
radioativo;
• O se forma na alta atmosfera pela colisão de raios cósmicos
(nêutrons) com , 1 próton sai do núcleo se transformando em
• Na medida em que se forma na atmosfera, o se combina com
o oxigênio para formar CO2 que é absorvido pelas plantas por
fotossíntese;
• O é absorvido pelos animais através da cadeia alimentar. Nos
organismos são encontrados o e em proporção constante
enquanto o organismo viver;
• Ao morrer, o continua estável, porém o começa a decair;
Decaimento Radioativo
• A teoria do decaimento radioativo proposta por Rutherford e
Soddy diz que os átomos dos elementos radioativos se
desintegram espontaneamente formando átomos de outros
elementos;
• O descobrimento da radioatividade foi importante para a Geologia
porque seria possível medir a radioatividade das rochas;
• A possibilidade de usar a radioatividade para medir a idade de
minerais e rochas foi proposta por Rutherford em 1905;
• Rutherford analisou a série de minerais de U a partir da quantidade
He acumulada obtendo uma idade de 500 Ma;
• O decaimento radioativo (liberação de radiação)
envolve apenas o núcleo do elemento pai;
• Essa taxa é constante e não se altera em quaisquer
condições físico-químicas, pressão e temperatura;
Decaimento radioativo de um isótopo dentro de um cristal. Carneiro (2006)
Tempo de meia-vida
• É o tempo de desintegração da metade dos átomos
radioativos de um elemento pai;
• Teoricamente, o tempo de vida de um elemento pai é
infinito;
• Cada tipo de elemento pai possui uma meia-vida única
(T1/2) relacionada à uma constante de desintegração;
• Isto é fundamental para a datação radiométrica, pois o
método se baseia entre o acúmulo de elementos filhos
produzidos por um núcleo radioativo (elemento pai);
• Quando um mineral ou rocha se formam estes contém apenas
um elemento radioativo (admite-se que a quantidade de
filhos radiogênicos seja zero), portanto, a razão pai/filho é
também zero;
• O decaimento progressivo de pais radioativos para filhos
radiogênicos ficam aprisionados no retículo do cristalino;
• Conhecendo-se a constante de desintegração do pai
radioativo, necessita-se apenas medir a proporção
entre elementos pai e filho de modo a calcular o
tempo em que o sistema se originou;
• Pressupostos e propriedades:
– O sistema permaneceu fechado – nenhum átomo pai ou
filho foi adicionado ou removido ao sistema quando este
foi originado;
– Nenhum elemento filho existia no sistema na sua
formação;
• Estas propriedades são específicasde cada isótopo e não
depende de nenhum outro de tipo de átomo que circunda o
núcleo (molécula);
• Não se conhece nenhum método para acelerar ou desacelerar
o decaimento radioativo;
Método Aplicação mais comum
40K – 40Ar Minerais potássicos de todos os
tipos de rochas
234U – 230Th Corais, espeleotemas 
(estalagmites , estalactites)
147Sm – 143Nd Rochas ígnea, metamórficas e
meteoritos
Radiocarbono (14C) Carvão, ossos, conchas, 
troncos, dentes, folhas, fósseis, 
papel, água, gelo, papiro.
Série de decaimento
Radioativo do Urânio-238
Até Chumbo-206
Exemplos
• Suponhamos que administramos 10g de um isótopo
radioativo de Iodo-131 ( ) a um paciente, quanto
restará no corpo passados 32 dias? (T1/2 do I-131 é de 8
dias).
– Resolução:
O período de 32 dias corresponde a quatro meias-vidas
(gráfico), logo:
10mg x ½ x ½ x ½ x ½ = 0,625 mg
Curva de decaimento Iodo-131
32 dias (4 meias-vidas)
• Em um pedaço de carvão encontrado numa caverna da França,
próximo de algumas pinturas rupestre, a contagem de carbono-
14 ( ) indicou um teor de 12,5% deste isótopo. Sabendo-se
que o T1/2 do é de 5.370 anos, quanto tempo decorreu para
que tenha restado essa concentração?
– Resolução:
100% 50% (1 meia-vida)
50% 25% (1 meia-vida)
25% 12,5% (1 meia-vida)
Logo: passaram-se 3 meias-vidas para que sejam encontrados 12,5% de
C14.
Então: 3 x 5.370 = 17.190 anos.
5.370 anos
5.370 anos
5.370 anos
Tipos de Datação
• Datação absoluta – baseia-se na datação radiométrica das
rochas, partindo do princípio que esta é um sistema fechado,
que não sofreu alteração externa. Sendo assim, qualquer
alteração ocorrida provem do decaimento radioativo. As
idades obtidas serão correspondentes àquela escala de tempo;
• Datação relativa – baseia-se na correlação temporal entre
camadas e fósseis. Este tipo de datação permite sequenciar
acontecimentos em uma dada ordem cronológica;
• Pelo princípio da sucessão faunística, foi possível, antes do
conhecimento da radioatividade, construir uma escala de
tempo geológico ordenando as principais unidades geológicas;
• Métodos estratigráficos, propostos por Nicolau Steno:
– Lei da Superposição: cada camada é mais jovem que aquela
que se encontram abaixo e mais antigas que as situadas
acima;
– Horizontalidade Original: as formações sedimentares
depositam-se originalmente na posição horizontal;
– Continuidade Lateral: sequências idênticas expostas em
lados opostos de um vale devem ser interpretadas como
restos de camadas que já foram contínuas;
• Príncipio de J. Hutton:
– Lei da interseção: Qualquer rocha que foi cortada por um
corpo intrusivo ígneo ou por uma falha é mais antiga que o
corpo ígneo ou falha;
Continuidade Lateral
Interseção
• Métodos Paleontológicos (William Smith):
– Sucessão Faunística: Os organismos sucederam-se no
tempo, dos mais simples aos mais complexos, e uma
determinada espécie ou grupo de organismos, após
sobreviver durante tempo mais ou menos prolongado,
desapareceu do planeta para não mais ressurgir (fósseis
guias).
• Fósseis guias: organismos que viveram em curto período de
tempo, mas com ampla distribuição geográfica;
– Ex: Trilobitas (surgem no início do Paleozóico e desaparecem no seu
final)
Trilobita – crustáceo marinho
Exercício
1. Suponha que uma rocha contendo 1mg de plutônio-239 por kg
de rocha é encontrada em uma geleira. A t1/2 do plutônio é de
25.000 anos. Se a rocha foi depositada há 100.000 anos durante
uma era glacial, quanto de plutônio-239, por kg de rocha, havia
na rocha naquele tempo?
2. Numa amostra de anortosito trazido da lua analisou-se a
proporção entre 235U e 207Pb e foi encontrada a seguinte
quantidade: 0,18 mg de 235U por kg de rocha e 11,82 mg de
207Pb por kg de rocha. Sabendo-se que o t1/2 do
235U é de 713
Ma, qual a idade desta rocha?
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