Há cerca de 2,5 a 2 mil milhões de anos, a maior alteração química alguma vez registada ocorreu na superfície da Terra. O oxigénio começou a acumular-se na atmosfera, causando uma mudança na dinâmica que, em última análise, ajudou a tornar possível o surgimento de organismos complexos, como plantas e animais, há cerca de meio bilhão de anos.
À medida que os níveis de oxigênio aumentaram pela primeira vez, grandes quantidades de material microbiano foram enterradas no fundo do oceano. Esse enterro prendeu carbono nas rochas e deixou uma assinatura isotópica incomum. Durante décadas, muitos cientistas interpretaram essa assinatura como evidência de que o ciclo do carbono da Terra se tornou dramaticamente desequilibrado à escala global.
Um famoso sinal da Terra primitiva
As provas que apoiam esta interpretação provêm de núcleos de perfuração – longos cilindros de rocha sólida extraídos das profundezas do subsolo – recuperados de antigos sedimentos marinhos na Bacia Francófona, na Carélia, na Rússia e no Gabão. No entanto, um novo estudo liderado por investigadores do Caltech está a levantar questões sobre se as evidências russas registam realmente um evento à escala planetária.
“Um grande debate centra-se num sinal invulgar de isótopos de carbono que tem sido frequentemente interpretado como evidência de alterações ambientais em todo o mundo”, diz a investigadora Nivedita Thiagarajan (PhD ’12), cientista sénior da Caltech que trabalha no laboratório de John Eiler, Professor Robert P. Sharp de Geologia e Geoquímica e Ted e Ginger Jenkins Leadership Chair no Departamento de Ciências Geológicas e Planetárias. “Estudamos gases presos em bolsas microscópicas dentro de rochas da Formação Zonega na Carélia, na Rússia, um dos campos de petróleo fóssil mais antigos conhecidos do mundo, e descobrimos que o sinal do isótopo de carbono neste local chave pode ser explicado por eventos locais que ocorreram numa bacia sedimentar de várias centenas de quilómetros quadrados, e não em todo o mundo.”
Thiagarajan é o autor principal de um artigo publicado recentemente Geologia. O estudo descreve como os pesquisadores recriaram a sequência de mudanças preservadas nas rochas da Carélia após o primeiro grande aumento do oxigênio atmosférico.
Os isótopos de carbono – formas mais pesadas ou mais leves do elemento – fornecem informações sobre a origem dos materiais orgânicos depositados há bilhões de anos. Ao medir as quantidades relativas destes isótopos em núcleos de perfuração (ou sinais de isótopos de carbono), os investigadores podem criar um registo de mudanças ambientais antigas, algo como ler os anéis de crescimento de uma árvore.
Um sinal incomum de carbono encontrado tanto na Formação Zonega quanto nas rochas do Gabão é conhecido como fenômeno Shunga-Francisvillian. Os cientistas têm frequentemente citado isto como prova de que a Terra sofreu uma grande perturbação global no ciclo do carbono há cerca de 2 mil milhões de anos.
“A Terra, de certa forma, enlouqueceu durante o intervalo de tempo em que o oxigênio apareceu na atmosfera. O que estamos tentando avaliar são as causas e consequências da oxigenação da Terra”, explica Aivo Lepland, pesquisador do Geological Survey of Norway (NGU) em Trondheim e coautor do estudo. “Essa informação fica armazenada nas rochas, então, para estudar o que aconteceu, é preciso estudar as rochas”.
Gases ficaram presos por 2 bilhões de anos
Para examinar o fenômeno Shunga-Francisviliano de outra perspectiva, os pesquisadores analisaram testemunhos de perfuração armazenados na NGU. Eles se concentraram em gases selados dentro de inclusões microscópicas de fluidos em amostras da Formação Zonega que são ricas em pirobitúmen.
A Formação Zonega já fez parte de uma bacia sedimentar marinha. O pirobitumen é uma forma insolúvel de carbono orgânico que se desenvolve quando o petróleo bruto ou o querogênio – uma matéria-prima do gás natural – são submetidos a intenso aquecimento abaixo da superfície.
O projeto tomou forma depois que Lapland chegou ao Caltech para um período sabático. Ele trouxe consigo uma nova coleção de medições isotópicas de gases presos nas rochas Zonega que ainda não haviam sido totalmente interpretadas.
Ao mesmo tempo, Thiagarajan e Euler concluíram recentemente uma pesquisa medindo as proporções de isótopos em gases naturais. Esse trabalho o ajudou a desenvolver uma estrutura abrangente para compreender como o gás natural se forma.
Quando os investigadores combinaram os dois conjuntos de conhecimentos e dados, uma explicação diferente para as antigas assinaturas de isótopos começou a surgir.
Magma, metano e microorganismos
A equipe propõe que uma camada de magma abriu caminho através de camadas de sedimentos marinhos na Formação Zonaga, que na época ficava sob um oceano pré-histórico. Os sedimentos preenchidos com matéria orgânica foram aquecidos pelo calor do magma.
Esse calor produziu hidrocarbonetos, incluindo metano e propano. Os gases então subiram através dos sedimentos e eventualmente alcançaram micróbios que viviam perto do fundo do oceano que consumiram o metano.
Esses micróbios produziram biomassa com assinaturas de isótopos de carbono mais leves, explicando potencialmente o sinal incomum preservado nas rochas.
As evidências de temperatura apoiam este cenário. Os investigadores identificaram um grande gradiente térmico, com temperaturas que atingem cerca de 350 °C perto da intrusão de magma e caem para cerca de 72 °C numa antiga infiltração de asfalto no fundo do mar com cerca de 300 metros de altura.
“Esta série de processos geológicos e biológicos pode ser responsável pelo sinal incomum do isótopo de carbono registrado na Formação Zonega”, diz Thiagarajan. “Foi interessante ver que algumas das mesmas assinaturas que vemos nas modernas bacias de petróleo e gás também estão lá e preservadas em amostras com 2 mil milhões de anos”.
Os pesquisadores ressaltam que não podem descartar completamente a contribuição de outros processos. No entanto, os seus resultados sugerem que a anomalia do isótopo de carbono preservado em Zonega foi impulsionada principalmente por eventos dentro da bacia sedimentar local, e não por perturbações globais.
Thiagarajan diz: “Como Zonega é um local de referência para o fenômeno Shunga-Francisvillian, nossas descobertas levantam questões importantes sobre se deve ser considerado um fenômeno mundial”.
Testando a teoria no Gabão
O próximo passo será determinar se a mesma explicação pode explicar o sinal isotópico semelhante encontrado no Gabão.
Pesquisadores planejam analisar amostras coletadas por meio de PROJETO GOE-DEEPCofinanciado pelo Programa Internacional de Perfuração Científica Continental. O objetivo é testar se os processos geológicos e biológicos locais identificados na Rússia também moldaram o registo rochoso do Gabão.
No verão de 2025, a Lapónia passou quatro meses no Gabão a coordenar uma campanha de perfuração. Os núcleos recentemente recuperados chegaram à NGU em Fevereiro e estão programados para serem amostrados por uma equipa de investigação internacional representando 18 países ainda este ano.
“Agora podemos realmente juntar as coisas fazendo um tipo de estudo semelhante nas rochas do Gabão para comparar os dois locais”, diz Lapland. “É assim que a ciência progride.”
Geologia O artigo é intitulado “Geração de hidrocarbonetos termogênicos paleoproterozóicos, Formação Zonega, Rússia”. Autores adicionais do estudo são Florian Aichinger, do laboratório de análise de isótopos naturais HydroIsotope GmbH, na Alemanha, e Anthony Prowe, da Universidade de St.
