20Fósseis e paleoambientes

Numa laje de arenito cinzento há três indícios: a pista que um trilobita arou na lama, as marcas onduladas que uma corrente deixou e uma toca que um verme escavou e abandonou. Nenhum deles é um animal inteiro, e no entanto juntos dizem que esta encosta foi um dia o fundo de um mar, raso o bastante para as ondas o agitarem, salgado o bastante para os trilobitas viverem nele. Os fósseis são os restos e os vestígios da vida passada, e os geólogos os leem duas vezes: como relógios que datam a rocha e como testemunhas do lugar onde ela se formou. Este capítulo acompanha um ser vivo desde sua morte até a gaveta do colecionador, abre os raros depósitos onde até os corpos moles sobrevivem, e depois lê o ambiente de um mar desaparecido, com números, na cobertura das Varden Hills.

O que você já sabe

Dos volumes escolares: fóssil, molde, contramolde e icnofóssil; como o soterramento e os minerais transformam uma concha em pedra; a sucessão dos fósseis ao longo do tempo. Do volume do primeiro ano: fácies sedimentares e ambientes deposicionais, turbiditos, recifes e oóides; biozonas, fósseis-guia e datums de primeira ocorrência; compactação, descompactação, a lei de Athy e a espessura sólida de uma camada; o cimento; a acomodação. Dos capítulos anteriores: as transgressões e regressões, o nível do mar de longo prazo e os eventos anóxicos oceânicos (Capítulo 19). Como as espécies evoluem, e como os animais e as plantas se classificam, pertence aos livros de biologia.

20.1 Da morte ao fóssil

A maioria dos seres vivos não deixa nada para trás. Bactérias e necrófagos consomem as partes moles em dias ou anos, as correntes quebram e espalham as duras, e os ácidos dos solos e das águas intersticiais dissolvem o que resta. Um fóssil é o que sobrevive a tudo isso, e sobrevive ainda ao soterramento, ao aquecimento e ao soerguimento da rocha que o contém.

Definição 20.1 (Tafonomia; potencial de preservação)

A tafonomia é o estudo do que acontece aos restos de um organismo desde sua morte até sua descoberta como fóssil: decomposição, necrofagia, transporte, soterramento e as mudanças químicas da diagênese. O potencial de preservação de um organismo, ou de uma de suas partes, é a probabilidade de que ele passe por essas etapas e sobreviva na rocha.

Cada etapa retira algo, acrescenta algo ou muda algo. A decomposição e a necrofagia retiram os tecidos moles; minerais da água intersticial preenchem os poros de um osso ou substituem a aragonita de uma concha, acrescentando matéria que o animal nunca teve; o aquecimento altera as moléculas orgânicas que restam. Loron classifica todas essas mudanças post mortem em três tipos, ganho, perda e alteração, e as escreve como uma só equação para a variação de qualquer característica mensurável entre um organismo e seu fóssil. A figura abaixo acompanha as etapas e o que cada uma retira.

Os volumes escolares chamavam de fóssil qualquer resto ou vestígio de vida passada conservado na rocha. Os dois tipos comportam-se de modo tão diferente na rocha que merecem nomes próprios.

Definição 20.2 (Fóssil corporal; icnofóssil)

Um fóssil corporal é uma parte do corpo de um organismo, ou o molde ou o contramolde dessa parte: uma concha, um osso, um dente, uma folha e, em depósitos raros, um tecido mole. Um icnofóssil é uma estrutura que um organismo produziu por sua atividade num sedimento ou numa rocha, ou sobre eles: uma pegada, uma pista, uma toca, uma perfuração, um padrão de alimentação.

Um icnofóssil faz parte do sedimento em que foi escavado: uma corrente que o movesse o destruiria. Ele registra, portanto, as condições do próprio lugar onde vivia seu produtor, o que uma concha, facilmente rolada pelo fundo, nem sempre faz. Os icnofósseis recebem nomes como os organismos, com um gênero e uma espécie, mas o nome descreve a estrutura, não o animal: a mesma toca pode ser escavada por vários tipos de animal, e um animal pode deixar vários tipos de vestígio.

Soterramento contra destruição

A corrida entre o soterramento e a destruição pode ser posta num modelo simples. Os restos que jazem no fundo são destruídos a uma taxa constante $k$, a probabilidade por unidade de tempo de serem comidos, quebrados ou dissolvidos; ficam a salvo quando uma espessura $h$ de sedimento os cobre; e o sedimento se acumula à taxa $s$.

Proposição 20.3 (Soterramento antes da destruição)

Sob essas hipóteses, a probabilidade de que um resto chegue a salvo é

$$P = e^{-kh/s}.$$

Ela depende das três grandezas apenas pela razão entre o tempo até o soterramento, $h/s$, e o tempo médio de sobrevivência no fundo, $1/k$.

Exemplo 20.4 (Uma concha num fundo calmo)

Suponha-se que uma concha sobreviva no fundo 20 anos em média, $k = 0.05\,\mathrm{yr}^{-1}$, e fique a salvo sob $h = 0.1\,\mathrm{m}$ de lama. Com $s = 1\,\mathrm{mm}\,\mathrm{yr}^{-1}$ o tempo até o soterramento é de 100 anos e $P = e^{-5} = 0.0067$: menos de uma concha em cem sobrevive. Com $1\,\mathrm{cm}\,\mathrm{yr}^{-1}$, $P = e^{-0.5} = 0.61$. Uma tempestade que despeja $0.3\,\mathrm{m}$ de areia num dia soterra tudo de uma vez, e então $P$ fica perto de um. Os números são supostos, mas a lição não: os fósseis se concentram onde o sedimento chega depressa ou em camadas súbitas.

O modelo mostra também por que o registro é enviesado. Um verme de corpo mole, cujo tempo médio de sobrevivência no fundo é de dias e não de décadas, tem um valor de $k$ centenas de vezes maior que uma concha espessa e, portanto, uma chance exponencialmente menor. O grosso do registro fóssil é feito de animais com concha e de restos microscópicos. Tyler e Kowalewski testaram quanto uma comunidade perde em seu caminho para a rocha. Em 51 locais de um fundo marinho costeiro, contaram 135 espécies vivas de invertebrados, 150 espécies entre as conchas e os esqueletos mortos no fundo, e 112 que têm também registro fóssil. Os mortos superam os vivos porque as conchas do fundo se acumularam ao longo de muitos anos, a partir de animais que já não vivem ali. Os detritívoros e os carnívoros, na maioria de corpo mole, são os que têm menos chance de preservação; ainda assim, os principais grupos ecológicos da comunidade viva foram todos reencontrados entre os mortos.

20.2 Janelas de preservação excepcional

Definição 20.5 (Lagerstätte)

Um Lagerstätte (plural Lagerstätten) é um depósito sedimentar que preserva fósseis de qualidade excepcional, em particular os tecidos moles, não biomineralizados, que a decomposição destrói quase em toda parte; esse depósito é chamado também de Konservat-Lagerstätte.

Os Lagerstätten são raros, mas boa parte do que se sabe dos animais de corpo mole vem deles, e a primeira grande radiação dos animais, no Cambriano, é mais bem compreendida a partir deles.

O Folhelho Burgess

Em 1909 Charles Walcott esboçou em sua caderneta de campo um pequeno artrópode que encontrara no Folhelho Burgess, na Colúmbia Britânica. Mais tarde coletou centenas de espécimes dele, Waptia, de um único intervalo de cerca de $2\,\mathrm{m}$ de espessura, o Phyllopod Bed; sua descrição moderna apoia-se em mais de 1800 espécimes conservados em dois museus. O Folhelho Burgess, de cerca de 508 milhões de anos, depositou-se em águas mais profundas, diante de uma íngreme escarpa submarina. Seus fósseis incluem animais sem concha, preservados como películas achatadas de carbono, muitas vezes corpos inteiros. Essa preservação está ligada ao soterramento em lamas pobres em oxigênio, que os animais não bioturbavam e as correntes não retrabalhavam: as perdas da figura acima foram interrompidas de imediato.

Solnhofen

Os calcários de grão fino de Solnhofen e Eichstätt, na Baviera, depositaram-se em lagunas no início do Titoniano, a última idade do Jurássico, que começou há $149.2\,\mathrm{Ma}$. São a localidade-tipo de doze espécimes de Archaeopteryx, de muitos pterossauros e de peixes cujos tecidos moles e até padrões de cor sobrevivem. Os fósseis ali são raros, mas sua preservação é notável. Foram propostas várias condições, talvez agindo em conjunto: águas de fundo cerca de três vezes mais salgadas que a água do mar ou muito alcalinas, que retardam a decomposição bacteriana; esteiras de bactérias que selaram as carcaças; água de fundo sem oxigênio, que mantinha os necrófagos afastados; e tempestades que revolviam a lama calcária e soterravam as carcaças depressa. Cada uma delas alonga o tempo de sobrevivência $1/k$ ou encurta o tempo até o soterramento $h/s$.

Os fósseis como relógios

O volume do primeiro ano construiu a biozona, um corpo de estratos definido por seus fósseis, e o fóssil-guia que a reconhece. Que precisão têm esses relógios? Uma zona de amonites do Jurássico pode durar cerca de um milhão de anos: a primeira zona do Toarciano, datada com idades urânio–chumbo de camadas de cinza na Argentina, vai de 183.73 a $182.77\,\mathrm{Ma}$. As zonas dividem-se em horizontes, e no Jurássico Superior um horizonte de amonites dura em média $165\,\mathrm{kyr}$. Todos os esqueletos de Archaeopteryx vêm de uma única zona que contém cinco horizontes, de modo que a ave é conhecida ao longo de uns 0.7 a 1 milhão de anos. Os fósseis, porém, dão apenas uma ordem; as idades em anos vêm de camadas de cinza datadas por urânio e chumbo, e de ciclos sedimentares. As mesmas camadas de cinza põem a base do Toarciano em $183.73$, com uma incerteza de $+0.35$ e $-0.50\,\mathrm{Myr}$, onde a carta internacional dá $184.2\,\mathrm{Ma}$.

20.3 Os fósseis como testemunhas do ambiente

Para ler um ambiente num fóssil, um geólogo supõe que o organismo vivia onde vivem seus parentes atuais, e que os processos que agem sobre o sedimento hoje agiam da mesma maneira então.

Definição 20.6 (Atualismo)

O atualismo é o método de interpretar os registros geológicos passados pelos processos, e pelas relações entre os organismos e seu ambiente, que se podem observar hoje.

Em 1830 Charles Lyell deu ao primeiro volume de seus Principles of Geology o subtítulo “uma tentativa de explicar as antigas mudanças da superfície da Terra por referência a causas agora em ação”. O método tem limites. Muitos grupos estão extintos, e seu modo de vida tem de ser inferido de sua forma e do sedimento à sua volta; e um ambiente do passado pode não ter equivalente exato hoje.

Definição 20.7 (Paleoambiente)

Um paleoambiente é o conjunto das condições físicas, químicas e biológicas que prevaleciam onde e quando uma rocha se formou: o contexto, a profundidade e a energia da água, sua salinidade, temperatura e oxigênio, a natureza do fundo, e a vida sobre ele.

Onde vivia o fóssil?

A primeira pergunta é se os fósseis viviam onde jazem.

Definição 20.8 (Assembleias de vida e de morte; fósseis autóctones e alóctones)

Uma assembleia de vida é um grupo de fósseis de organismos que viviam juntos, preservados onde e como viviam; uma assembleia de morte é um grupo de restos reunidos depois da morte, que pode misturar organismos de lugares diferentes e de épocas diferentes. Um fóssil é autóctone se está preservado onde o organismo vivia, e alóctone se foi transportado de outro lugar antes do soterramento.

Os indícios são os do transporte. Conchas ainda fechadas, um coral ou um bivalve escavador em sua posição de crescimento, espinhos delicados intactos, todas as idades de uma população presentes: os fósseis são provavelmente autóctones. Valvas isoladas selecionadas por tamanho, fragmentos gastos e quebrados, conchas concentradas na base de uma camada gradada: foram transportados. Uma assembleia de morte de conchas, como a do fundo costeiro acima, ainda contém a maior parte da comunidade, mas reúne muitos anos dela numa só camada: seus fósseis são médias no tempo.

Salinidade e oxigênio

Alguns animais só toleram a salinidade do mar aberto: são chamados estenoalinos. Os equinodermos, os cefalópodes, os corais e, no Paleozoico, os trilobitas são grupos estenoalinos típicos; sua presença indica água do mar normal, e sua ausência numa fauna rica pode indicar o contrário. Os depósitos de um estuário siluriano no Vietnã contêm restos vegetais, ossos de peixe, bivalves, gastrópodes e ostracodes, mas nenhum desses grupos. Os equinodermos também faltam na biota de Chengjiang, um Lagerstätte de cerca de 518 milhões de anos, embora ocorram em Lagerstätten de mar aberto do Cambriano: os animais de Chengjiang viviam ao largo de um delta, onde a água doce fazia a salinidade flutuar.

O oxigênio deixa sua marca pelos escavadores. Onde a água de fundo tem oxigênio, os animais misturam o sedimento e destroem sua laminação fina; onde não tem, as lâminas sobrevivem, as tocas estão ausentes e forma-se pirita, como nos folhelhos negros dos eventos anóxicos oceânicos do Capítulo 19. A mesma falta de escavadores protegeu as carcaças do Folhelho Burgess.

Icnofácies

Os icnofósseis são as melhores testemunhas do fundo, porque não foram movidos. Seus produtores respondem à energia da água, à firmeza do fundo, ao alimento e ao oxigênio, e as mesmas associações de vestígios repetem-se ao longo do Fanerozoico.

Definição 20.9 (Icnofácies)

Uma icnofácies é uma associação recorrente de icnofósseis que reflete um conjunto de condições ambientais; recebe o nome de um vestígio característico.

Ao longo de um perfil marinho, da costa à bacia profunda, quatro icnofácies marinhas sucedem-se (figura abaixo). A icnofácies Skolithos, dominada por tocas de habitação verticais, cilíndricas ou em U, de suspensívoros, com poucos vestígios horizontais, é típica do estirâncio e da antepraia. A icnofácies Cruziana, dominada pelas tocas de detritívoros, com os vestígios de pastadores, carnívoros e suspensívoros, é típica da zona costa afora: o fundo entre o nível de base das ondas de tempo bom, a profundidade acima da qual as ondas comuns agitam o sedimento, e o nível de base das ondas de tempestade, atingido apenas pelas ondas de tempestade. A icnofácies Zoophycos, cujo nome vem de uma toca que retrabalha o sedimento em lâminas helicoidais em torno de um eixo central, é típica da plataforma abaixo do nível de base das ondas de tempestade e do talude. A icnofácies Nereites, com suas tocas regulares meandrantes, espirais e em rede, lidas como as armadilhas e os jardins de animais que encontravam pouco alimento, é típica do mar profundo além da quebra da plataforma. Nas baías salobras e nos estuários, a regra é uma icnofácies Cruziana com poucas espécies.

A profundidade não age diretamente. Num canal de mar profundo, onde as correntes de turbidez são fortes, tocas verticais da icnofácies Skolithos aparecem muito abaixo de qualquer nível de base das ondas; e perto de um delta, onde a água doce e a lama afluem, os vestígios de costa afora são mais pobres que em outros lugares. Os produtores também se deslocaram ao longo do tempo: a toca Zoophycos vivia na plataforma no Paleozoico, na plataforma inferior e no talude no Mesozoico, e no mar profundo no Cenozoico. Uma icnofácies registra as condições no fundo, das quais a profundidade é apenas inferida, e a inferência deve levar em conta a idade da rocha.

No campo — Contar fósseis camada por camada

Um paleontólogo que reconstrói um ambiente a partir de uma seção registra cada camada com sua litologia, espessura e estruturas sedimentares, e depois seus fósseis: que grupos, quantos, se as conchas estão inteiras ou quebradas, fechadas ou abertas, selecionadas ou não, e em que posição jazem. Os icnofósseis são registrados onde são vistos, nas superfícies de acamamento e nas faces verticais, com a profundidade que as tocas atingem. Como uma concha pode ser movida e uma toca não, as duas listas são mantidas à parte; o ambiente é lido primeiro nos vestígios, e os fósseis corporais são depois examinados em busca de sinais de transporte.

20.4 Ler um mar desaparecido

Os ambientes ficam lado a lado: uma praia, um fundo costa afora, uma plataforma mais profunda. Quando o mar sobe ou o fundo afunda, cada ambiente avança em direção ao continente sobre seu vizinho, e seus depósitos passam a ficar sobre os do vizinho. Uma sucessão vertical de fácies, sem interrupção, repete assim a ordem dos ambientes que ficavam lado a lado; o volume do terceiro ano faz dessa regra, a lei de Walther, seu ponto de partida. Um perfil lido de baixo para cima é um filme da costa deslocando-se sobre um mesmo lugar.

A cobertura das Varden Hills, a região inventada da série, dá um exemplo completo. Suas espessuras são as do modelo da região; os fósseis da figura abaixo foram inventados para ela, mas cada um foi escolhido entre os que rochas reais desse tipo podem conter. Ao calcário atribui-se o Toarciano, de 184.2 a $174.7\,\mathrm{Ma}$, e ao folhelho do Aaleniano ao Caloviano, de $174.7\,\mathrm{Ma}$ a $161.5\,\mathrm{Ma}$.

Exemplo 20.10 (A base da cobertura de Varden)

O arenito contém preenchimentos de canal sobre bases erosivas, raízes e fragmentos vegetais, e nenhum fóssil marinho: foi depositado por rios em terra. O calcário oolítico acima tem oóides com estratificação cruzada, que crescem rolando em água agitada, tubos verticais e tocas em U da icnofácies Skolithos, e fragmentos de concha gastos, todos alóctones: um baixio da antepraia, varrido pelas ondas. Entre os dois o mar chegou: o contato registra uma transgressão marinha. Na ordem da lei de Walther, à planície fluvial seguiu-se a costa, e depois o baixio.

Com que rapidez o fundo marinho se encheu?

Uma biozona dá uma duração, um perfil dá uma espessura, e sua razão é uma taxa. Mas a espessura diminuiu desde que o sedimento se depositou: a água dos poros foi expulsa, e só os grãos se conservam.

Proposição 20.11 (Taxa de acumulação de uma camada compactada)

Uma camada de espessura atual $h$ e porosidade média $\varphi$, depositada durante o tempo $\Delta t$ com a porosidade $\varphi_0$, acumulou-se à taxa

$$r = \frac{h\,(1 - \varphi)}{(1 - \varphi_0)\,\Delta t}$$

de sedimento fresco, e à taxa $h(1-\varphi)/\Delta t$ de grãos, que não depende de $\varphi_0$.

Quando a porosidade não foi medida, a lei de Athy a dá a partir da profundidade. A figura abaixo mostra a lei para quatro litologias, e o fator $(1 - \varphi(z))/(1 - \varphi_0)$ pelo qual uma camada fina hoje à profundidade $z$ deve ser esticada para dar sua espessura na superfície. O giz e o folhelho começam com muita água e a perdem depressa: uma camada fina de folhelho a $1000\,\mathrm{m}$ era 1.68 vezes mais espessa quando se depositou, uma camada de giz 2.19 vezes.

Exemplo 20.12 (O folhelho de Varden)

No sinclinal das Varden Hills o giz tem $766\,\mathrm{m}$ de espessura, de modo que o folhelho fica entre 766 e $866\,\mathrm{m}$. Com as constantes do folhelho, $\varphi_0 = 0.63$ e $\lambda = 1960\,\mathrm{m}$, a espessura sólida do volume do primeiro ano é $100 - 0.63 \times 1960 \times (e^{-766/1960} - e^{-866/1960}) = 58.4\,\mathrm{m}$, uma porosidade média de 0.416. Trazida de volta à superfície com os mesmos grãos, a camada tem $148.6\,\mathrm{m}$ de espessura. Ao longo dos $13.2\,\mathrm{Myr}$ da base do Aaleniano ao topo do Caloviano, o folhelho acumulou-se a $100/13.2 = 7.6\,\mathrm{m}$ por milhão de anos tal como está hoje, a $148.6/13.2 = 11.3\,\mathrm{m}$ por milhão de anos de lama fresca, e a $4.4\,\mathrm{m}$ por milhão de anos de grãos. A espessura atual subestima a taxa em um terço.

O folhelho pode ter estado ainda mais fundo, sob giz depois erodido; a correção é então um mínimo. O problema de fim de semana aplica a proposição ao calcário, onde a porosidade foi medida.

Exercícios

Dados para os exercícios, salvo indicação em contrário: lei de Athy $\varphi = \varphi_0 e^{-z/\lambda}$ com $\varphi_0 = 0.63$, $\lambda = 1960\,\mathrm{m}$ (folhelho), $0.49$, $3704\,\mathrm{m}$ (arenito), $0.70$, $1408\,\mathrm{m}$ (giz), $0.51$, $4545\,\mathrm{m}$ (calcário); calcita $2710\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$, água intersticial $1000\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$; as idades da carta internacional: Toarciano de 184.2 a $174.7\,\mathrm{Ma}$.

Exercício 20.1 ★

Em 51 locais de um fundo costeiro, 135 espécies de invertebrados foram encontradas vivas, 150 entre as conchas e os esqueletos mortos no fundo, e 112 que têm também registro fóssil. (a) Exprima o terceiro número como fração de cada um dos dois primeiros. (b) Como os mortos podem superar os vivos? (c) Que grupos alimentares você esperaria encontrar sub-representados entre os mortos, e por quê?

Solução

Solução de Exercício 20.1.

(a) $112/135 = 0.830$ e $112/150 = 0.747$. (b) As conchas mortas no fundo se acumulam durante anos ou mais: incluem espécies que viveram ali antes, ou raramente, ou que foram trazidas, de modo que a assembleia de morte faz a média de muitas gerações da comunidade. (c) Os grupos de corpo mole, em particular os detritívoros e os carnívoros, como os vermes: sem esqueleto, decompõem-se antes do soterramento.

Exercício 20.2 ★

Um horizonte de amonites do Jurássico Superior dura em média $165\,\mathrm{kyr}$. (a) Quanto duram cinco horizontes? Compare com os 0.7 a 1 milhão de anos dados para o Archaeopteryx. (b) A primeira zona do Toarciano vai de 183.73 a $182.77\,\mathrm{Ma}$: quantos horizontes de duração média ela conteria? (c) Por que os horizontes, e não as zonas, importam para acompanhar a evolução de uma linhagem?

Solução

Solução de Exercício 20.2.

(a) $5 \times 165 = 825\,\mathrm{kyr}$, cerca de $0.8\,\mathrm{Myr}$, dentro dos 0.7 a 1 milhão de anos. (b) $183.73 - 182.77 = 0.96\,\mathrm{Myr}$, e $0.96/0.165 = 5.8$: cerca de seis horizontes. (c) Uma linhagem muda em muito menos de um milhão de anos; só os horizontes separam as formas sucessivas, enquanto uma zona as agrupa.

Exercício 20.3 ★

Nomeie a icnofácies e o contexto de cada conjunto. (a) Pistas de pastagem meandrantes e redes regulares de tocas nas bases de turbiditos finos. (b) Tubos verticais muito próximos em areia limpa com estratificação cruzada. (c) Tocas horizontais abundantes de detritívoros e pistas de pastagem em camadas siltosas entre areias de tempestade. (d) Tocas com spreite helicoidal numa lama fina e escura sem marcas onduladas de ondas, em rochas mesozoicas.

Solução

Solução de Exercício 20.3.

(a) Icnofácies Nereites: o fundo de mar profundo de um sistema turbidítico, além da quebra da plataforma, onde o alimento é escasso. (b) Icnofácies Skolithos: estirâncio ou antepraia. (c) Icnofácies Cruziana: costa afora, entre os níveis de base das ondas de tempo bom e de tempestade. (d) Icnofácies Zoophycos: no Mesozoico, a plataforma inferior ou o talude, abaixo do nível de base das ondas de tempestade.

Exercício 20.4 ★

A camada A contém crinoides, braquiópodes, corais e trilobitas; a camada B, da mesma idade, contém restos vegetais, ossos de peixe, alguns bivalves e gastrópodes, e muitos indivíduos de apenas duas espécies de ostracodes. (a) O que cada uma diz sobre a salinidade de sua água? (b) À camada B faltam os grupos da camada A: por que essa ausência é um argumento, enquanto a ausência de um fóssil numa camada não é? (c) Que outras observações testariam a interpretação da camada B?

Solução

Solução de Exercício 20.4.

(a) A camada A contém grupos estenoalinos: água do mar normal. A camada B, pobre em espécies mas rica em indivíduos, com restos vegetais e nenhum dos grupos estenoalinos, sugere água salobra, por exemplo um estuário. (b) Os grupos ausentes são vários, comuns e bem preservados em camadas marinhas da mesma idade: sua ausência conjunta é um padrão, enquanto um fóssil pode faltar por acaso ou por má preservação. (c) O sedimento (canais de maré ou fluviais, drapeamentos de lama, raízes), os icnofósseis (uma icnofácies Cruziana com poucas espécies), e a passagem lateral da camada B a depósitos marinhos ou fluviais.

Exercício 20.5 ★★

Use a Proposição 20.3 com a concha do Exemplo 20.4, $k = 0.05\,\mathrm{yr}^{-1}$ e $h = 0.1\,\mathrm{m}$. (a) Calcule a taxa de sedimentação com a qual metade das conchas chega a salvo. (b) Por que fator $P$ muda quando a taxa é reduzida à metade a partir desse valor? (c) Uma concha duas vezes mais espessa sobrevive duas vezes mais tempo no fundo. A $1\,\mathrm{mm}\,\mathrm{yr}^{-1}$, quanto mais provável é que ela seja preservada? (d) O que isso implica para as proporções de conchas finas e espessas numa assembleia fóssil?

Solução

Solução de Exercício 20.5.

(a) $P = 1/2$ quando $kh/s = \ln 2$: $s = 0.05 \times 0.1/0.693 = 0.0072\,\mathrm{m}\,\mathrm{yr}^{-1}$, $7.2\,\mathrm{mm}$ por ano. (b) Reduzir $s$ à metade dobra o expoente: $P = (1/2)^2 = 0.25$, a metade. (c) $k$ cai à metade: $P = e^{-2.5} = 0.082$ em vez de $e^{-5} = 0.0067$, $e^{2.5} = 12$ vezes mais provável. (d) As conchas espessas e robustas ficam super-representadas, e tanto mais quanto mais lento o soterramento.

Exercício 20.6 ★★

Camadas de cinza datam a base do Toarciano em Chacay Melehue em $183.73$, $+0.35$, $-0.50\,\mathrm{Myr}$; a carta internacional dá $184.2\,\mathrm{Ma}$. (a) O valor da carta está dentro da incerteza? Por quanto ele ultrapassa o limite superior? (b) A primeira zona do Toarciano termina a $182.77\,\mathrm{Ma}$: calcule sua duração. (c) Suponha que essa zona tenha $6\,\mathrm{m}$ de espessura numa seção: qual é a taxa de acumulação? (d) Por que uma biozona pode ser a mesma em toda parte no tempo enquanto sua espessura difere de um lugar para outro?

Solução

Solução de Exercício 20.6.

(a) O limite superior é $183.73 + 0.35 = 184.08\,\mathrm{Ma}$: os $184.2\,\mathrm{Ma}$ da carta ficam fora dele, por $0.12\,\mathrm{Myr}$. (b) $183.73 - 182.77 = 0.96\,\mathrm{Myr}$. (c) $6/0.96 = 6.25\,\mathrm{m}$ por milhão de anos. (d) Uma biozona é definida por fósseis, cujas aparições e desaparições são quase simultâneas em áreas amplas; a espessura de rocha depositada durante esse tempo depende da taxa local de acumulação.

Exercício 20.7 ★★

No sinclinal de Varden o arenito fica entre 1046 e $1166\,\mathrm{m}$ abaixo do solo. (a) Calcule sua porosidade pela lei de Athy no topo e na base, e sua porosidade média, arredondada a três casas decimais, a partir da média das duas. (b) Calcule sua espessura sólida. (c) Restaure-o à superfície com o fator de camada fina na porosidade média. (d) A restauração exata dá $147.0\,\mathrm{m}$. Por que a estimativa de camada fina é um pouco grande demais?

Solução

Solução de Exercício 20.7.

(a) $0.49\,e^{-1046/3704} = 0.369$ e $0.49\,e^{-1166/3704} = 0.358$; média $0.364$. (b) $120 \times (1 - 0.364) = 76.3\,\mathrm{m}$. (c) $76.3/(1 - 0.49) = 149.6\,\mathrm{m}$. (d) O fator supõe que toda a camada restaurada tenha a porosidade $\varphi_0$ da superfície; mas uma camada de $150\,\mathrm{m}$ de espessura na superfície é menos porosa em sua base que em seu topo, de modo que os mesmos grãos ocupam menos de $149.6\,\mathrm{m}$.

Exercício 20.8 ★★

Um perfil de densidade lê $2573\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$ no calcário de Varden, feito de grãos de calcita com água nos poros. (a) Mostre que a porosidade é $\varphi = (\rho_{\text{grain}} - \rho)/(\rho_{\text{grain}} - \rho_{\text{water}})$ e calcule-a. (b) À profundidade média do calcário no sinclinal, $956\,\mathrm{m}$, o que prevê a lei de Athy com as constantes do calcário? (c) Que processo da diagênese pode explicar a diferença?

Solução

Solução de Exercício 20.8.

(a) Um volume unitário contém $\varphi$ de água e $1 - \varphi$ de grãos: $\rho = \varphi \rho_{\text{water}} + (1 - \varphi)\rho_{\text{grain}}$, o que dá a fórmula; $(2710 - 2573)/(2710 - 1000) = 0.080$. (b) $0.51\,e^{-956/4545} = 0.413$. (c) A cimentação: a calcita precipitada nos poros, que os carbonatos sofrem além da compactação, elimina muito mais porosidade que o soterramento sozinho.

Exercício 20.9 ★★

Uma falésia de rochas jurássicas mostra, da base para cima: turbiditos finos com meandros regulares e redes de tocas; lama escura com tocas com spreite helicoidal; camadas siltosas com tocas de detritívoros entre areias de tempestade; areia limpa com estratificação cruzada e tubos verticais; depois um carvão com raízes. (a) Interprete cada parte. (b) A água se aprofundou ou ficou mais rasa? (c) Cite duas causas que poderiam produzir essa sucessão, e diga o que permitiria decidir entre elas. (d) Por que um salto brusco da primeira parte para a quarta, sem as outras, é um sinal de alerta?

Solução

Solução de Exercício 20.9.

(a) Turbiditos de mar profundo (icnofácies Nereites); um fundo jurássico da plataforma inferior ou do talude (Zoophycos); um fundo costa afora entre os níveis de base das ondas (Cruziana); uma antepraia (Skolithos); um pântano em terra. (b) A água ficou mais rasa para cima: a costa deslocou-se em direção ao mar. (c) Uma descida do nível do mar, ou um aporte de sedimento mais rápido que a subsidência, como diante de um delta em crescimento; uma descida seria encontrada na mesma época em outras bacias, um delta seria local e seu sedimento viria de um lado só. (d) Numa sucessão concordante os ambientes vizinhos seguem-se uns aos outros; um salto por cima dos intermediários aponta para uma lacuna no tempo ou para uma falha.

Exercício 20.10 ★★★

Um animal de corpo mole sobrevive no fundo um ano em média ($k = 1\,\mathrm{yr}^{-1}$), uma concha um século; ambos ficam a salvo sob $h = 0.1\,\mathrm{m}$. (a) Compare suas chances de preservação a 1, 10 e $100\,\mathrm{mm}\,\mathrm{yr}^{-1}$. (b) Calcule a taxa à qual um corpo mole em cem é preservado. (c) Essa taxa é plausível durante meses a fio? Que tipo de depósito soterra o fundo mais depressa? (d) Que hipótese da Proposição 20.3 falha para esse depósito, e como se comporta a fórmula quando ela falha?

Solução

Solução de Exercício 20.10.

(a) O tempo até o soterramento é $h/s$ = 100, 10 e $1\,\mathrm{yr}$. Corpo mole: $e^{-100} \approx 4 \times 10^{-44}$, $e^{-10} = 4.5 \times 10^{-5}$, $e^{-1} = 0.37$. Concha ($k = 0.01\,\mathrm{yr}^{-1}$): $e^{-1} = 0.37$, $e^{-0.1} = 0.90$, $e^{-0.01} = 0.99$. (b) $s = kh/\ln 100 = 0.1/4.605 = 0.022\,\mathrm{m}\,\mathrm{yr}^{-1}$, $22\,\mathrm{mm}$ por ano. (c) Dificilmente, durante meses; mas uma camada de tempestade, um turbidito ou uma queda de cinzas soterra o fundo em horas. (d) A taxa constante de sedimentação: o tempo até o soterramento é então muito mais curto que $h/s$ com a taxa média, e $P = e^{-kT}$, sendo $T$ o tempo real até o soterramento, tende a um quando $T$ é muito menor que $1/k$.

Exercício 20.11 ★★★

(a) Mostre que o fator de camada fina $(1 - \varphi(z))/(1 - \varphi_0)$ decorre da Proposição 20.11. (b) Aplique-o à profundidade média do folhelho de Varden, $816\,\mathrm{m}$, para restaurar os $100\,\mathrm{m}$ de folhelho. (c) Compare com os $148.6\,\mathrm{m}$ exatos do Exemplo 20.12, e explique o sinal da diferença. (d) Mostre que a taxa de grãos, ao contrário da taxa de sedimento fresco, pode ser comparada entre um folhelho e um calcário sem saber quão poroso cada um era ao se depositar.

Solução

Solução de Exercício 20.11.

(a) Uma camada fina $\mathrm dz$ à profundidade $z$ contém os grãos $(1 - \varphi(z))\,\mathrm dz$; na superfície eles ocupam $\mathrm dz_0$ com $(1 - \varphi_0)\,\mathrm dz_0 = (1 - \varphi(z))\,\mathrm dz$. (b) $\varphi = 0.63\,e^{-816/1960} = 0.415$; $(1 - 0.415)/0.37 = 1.581$, portanto $158.1\,\mathrm{m}$. (c) $9.5\,\mathrm{m}$ a mais: como no Exercício 20.7, a camada restaurada não é uniformemente tão porosa quanto sua superfície. (d) A taxa de grãos, $h(1-\varphi)/\Delta t$, usa apenas a espessura e a porosidade atuais, ambas medidas.

Exercício 20.12 ★★★

Suponha que os horizontes de amonites do Toarciano durem em média $165\,\mathrm{kyr}$, como os do Jurássico Superior. (a) Quantos horizontes conteriam os $180\,\mathrm{m}$ do calcário de Varden? (b) Que espessura de calcário um horizonte representa hoje, e que espessura de sedimento fresco, sabendo que a camada tinha $338\,\mathrm{m}$ de espessura ao se depositar? (c) Para ter certeza de encontrar todos os horizontes, um geólogo amostra a no máximo metade dessa espessura atual: que espaçamento é esse, e quantas amostras? (d) Por que alguns horizontes poderiam faltar mesmo assim?

Solução

Solução de Exercício 20.12.

(a) $9.5/0.165 = 57.6$ horizontes. (b) $180/57.6 = 3.1\,\mathrm{m}$ de calcário hoje, $338/57.6 = 5.9\,\mathrm{m}$ de sedimento fresco. (c) No máximo $1.5\,\mathrm{m}$: $180/1.5 = 120$ intervalos, 121 amostras. (d) Interrupções na deposição, camadas onde as amonites estão ausentes, e horizontes condensados em alguns centímetros onde o sedimento chegava devagar.

Problema 20.1

Problema de fim de semana — o mar jurássico das Varden Hills

Este problema lê o ambiente e a história da cobertura de Varden, com o perfil da Seção 20.4 e os dados dos exercícios. A cobertura mergulha $12{}^{\circ}$ nos flancos das dobras; no sinclinal, ela é atravessada por um poço.

Parte I — As rochas e sua espessura.

1. Em terreno plano num flanco, o calcário aflora numa largura de $866\,\mathrm{m}$, medida perpendicularmente à direção. Calcule sua espessura verdadeira.
2. O folhelho aflora numa largura de $481\,\mathrm{m}$. Calcule sua espessura.
3. Qual unidade é a mais antiga, e segundo que princípio?
4. No poço, o folhelho começa a $766\,\mathrm{m}$, o calcário a $866\,\mathrm{m}$ e o arenito a $1046\,\mathrm{m}$ abaixo do solo. Verifique as espessuras.
5. O giz é cortado pela superfície do terreno. O que se pode dizer de sua espessura quando o mar cretáceo se retirou?
6. Calcule a porosidade do giz na superfície e na base do giz no poço.

Parte II — Ambientes.

7. O que dizem sobre sua água os crinoides, braquiópodes, belemnites e amonites do calcário fino?
8. Que icnofácies seus vestígios formam, e em que parte do perfil?
9. O que registram suas camadas de conchas quebradas com bases abruptas?
10. O folhelho é escuro, laminado em partes, com pirita e poucas tocas. O que isso diz sobre a água de fundo?
11. Suas camadas mais claras contêm tocas com spreite helicoidal. Que icnofácies, e que contexto?
12. As amonites do folhelho fazem parte de uma assembleia de vida do fundo? Explique.

Parte III — Tempo e taxas. As camadas mais baixas do calcário contêm as amonites da primeira zona do Toarciano, as mais altas as da última, e o folhelho começa com a primeira zona do Aaleniano.

13. Quanto tempo o calcário levou para se acumular?
14. A que taxa, tal como o calcário está hoje?
15. O perfil de densidade do poço lê $2573\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$ no calcário. Calcule sua porosidade.
16. A lama calcária se deposita com uma porosidade de 0.51. Calcule a espessura do sedimento fresco.
17. Calcule a taxa de sedimento fresco.
18. Calcule a taxa de grãos.
19. Compare com o folhelho do Exemplo 20.12. O que a mudança de taxa sugere sobre o aporte de carbonato?

Parte IV — O mar sobre Varden.

20. Leia a coluna do arenito ao giz. O mar avançou ou recuou?
21. Na curva de longo prazo de Haq e colaboradores, o nível global do mar estava cerca de 41, 57 e $86\,\mathrm{m}$ acima do atual a 184, 174 e $162\,\mathrm{Ma}$. De quanto ele subiu durante o calcário, durante o folhelho, e no total?
22. Suponha que o fundo passou de $5\,\mathrm{m}$ de água no baixio a $60\,\mathrm{m}$ no topo do folhelho. Calcule a acomodação criada da base do calcário ao topo do folhelho, contando as espessuras frescas das duas unidades, e sua taxa média.
23. Que parte dela a subida global pode explicar? O que produziu o resto?
24. Em resumo: a que taxa se acumulou a lama calcária do calcário de Varden quando foi depositada?

Solução

Solução de Problema 20.1.

1. $866 \sin 12{}^{\circ} = 866 \times 0.2079 = 180.0\,\mathrm{m}$. 2. $481 \times 0.2079 = 100.0\,\mathrm{m}$. 3. O arenito, por superposição: os flancos mergulham apenas $12{}^{\circ}$, de modo que as camadas não estão invertidas e a mais baixa é a mais antiga. 4. $866 - 766 = 100\,\mathrm{m}$ e $1046 - 866 = 180\,\mathrm{m}$. 5. Pelo menos $766\,\mathrm{m}$ ali; seu topo original foi erodido, de modo que sua espessura completa é desconhecida. 6. 0.70 na superfície; $0.70\,e^{-766/1408} = 0.406$ a $766\,\mathrm{m}$. 7. São grupos estenoalinos: a água tinha a salinidade do mar aberto. 8. Uma icnofácies Cruziana: a zona costa afora, entre os níveis de base das ondas de tempo bom e de tempestade. 9. Tempestades: suas ondas atingiam o fundo, quebravam as conchas e as depositavam em camadas com bases erosivas. 10. A água de fundo era pobre em oxigênio: poucos escavadores, lâminas conservadas, pirita formada. 11. A icnofácies Zoophycos, no Mesozoico a plataforma inferior ou o talude, abaixo do nível de base das ondas de tempestade; oxigênio suficiente, por vezes, para os escavadores. 12. Não: as amonites nadavam na água acima; suas conchas afundavam ou derivavam até o fundo depois da morte e formam uma assembleia de morte. 13. $184.2 - 174.7 = 9.5\,\mathrm{Myr}$. 14. $180/9.5 = 18.9\,\mathrm{m}$ por milhão de anos. 15. $(2710 - 2573)/(2710 - 1000) = 0.080$. 16. $180 \times (1 - 0.080)/(1 - 0.51) = 338\,\mathrm{m}$. 17. $338/9.5 = 35.6\,\mathrm{m}$ por milhão de anos. 18. $180 \times 0.92/9.5 = 17.4\,\mathrm{m}$ por milhão de anos. 19. O folhelho deu 11.3 e $4.4\,\mathrm{m}$ por milhão de anos: a taxa de grãos caiu cerca de quatro vezes. O carbonato do baixio e da plataforma deixou de chegar à medida que o fundo se aprofundava, e só uma chuva lenta de lama o atingia. 20. Avançou: rios, depois um baixio, um fundo costa afora, um fundo abaixo do nível de base das ondas de tempestade, depois o mar aberto do giz. A coluna registra uma transgressão. 21. $57 - 41 = 16\,\mathrm{m}$ durante o calcário, $86 - 57 = 29\,\mathrm{m}$ durante o folhelho, $45\,\mathrm{m}$ no total. 22. $(60 - 5) + 338 + 148.6 = 542\,\mathrm{m}$, em $184.2 - 161.5 = 22.7\,\mathrm{Myr}$: $23.9\,\mathrm{m}$ por milhão de anos. 23. $45/542 = 0.083$: cerca de $8\,\%$, e menos se a carta de ciclos exagera a amplitude. O resto veio da subsidência do fundo. 24. A lama calcária do calcário de Varden acumulou-se a cerca de $36\,\mathrm{m}$ por milhão de anos quando foi depositada.