Introdução
Alguns padrões da natureza parecem deliberados demais para serem acidentais. As colunas hexagonais de pedra da Calçada dos Gigantes são o caso clássico: dezenas de milhares de pilares de seis lados tão bem encaixados que, durante séculos, as pessoas preferiram atribuí-los a um gigante a admitir que não sabiam explicá-los. A verdade é mais estranha que a lenda, e mais estranha que a versão dos livros didáticos de que a maioria das pessoas se lembra pela metade. Essas colunas não são lava congelada no meio do derramamento, e as fissuras que as esculpem não se abrem enquanto a rocha está fundida. Elas se formam centenas de graus mais tarde, em rocha sólida, quando uma camada de lava em resfriamento se contrai e se rasga em polígonos pelo caminho mais barato que consegue encontrar. A seguir, veja como isso acontece, por que as colunas tendem a ter seis lados, qual é a janela exata de temperatura em que elas racham e por que o mesmo favo de mel aparece em uma bandeja de amido de milho e na parede de uma cratera marciana.
Por que a lava em resfriamento racha em colunas hexagonais
Fique de pé na borda da Calçada dos Gigantes voltada para o mar, no condado de Antrim, e o chão deixa de se comportar como chão. Sob seus pés há um mosaico de ladrilhos de pedra, a maioria de seis lados, encaixados tão firmemente que não se poderia enfiar uma moeda entre eles. Eles saem marchando do penhasco, descem uma encosta em degraus e somem sob as ondas. Cerca de 40.000 dessas colunas se aglomeram no promontório. Parecem extraídas de uma pedreira e assentadas à mão. Não foram. São o que acontece quando uma camada de lava esfria e a rocha em seu interior se rasga em polígonos.
O padrão é tão regular que, durante séculos, as pessoas preferiram um gigante a uma explicação. A história real é mais estranha, e tem uma reviravolta que surpreendeu os geólogos ainda em 2018: o fraturamento não acontece enquanto a lava está líquida. Acontece depois, em rocha sólida, enquanto a pedra continua a esfriar e a encolher. É assim que uma poça de rocha fundida se torna uma colunata.
O que é a disjunção colunar?
A disjunção colunar é o fraturamento de um corpo de rocha em resfriamento em colunas longas e aproximadamente paralelas. As colunas se erguem perpendicularmente à superfície contra a qual a rocha esfriou, e suas seções transversais ladrilham um plano: formas de quatro, cinco, seis e, ocasionalmente, três ou sete lados, encaixadas lado a lado. Os geólogos chamam essas fissuras de “juntas”, isto é, fraturas ao longo das quais a rocha se afastou, em vez de deslizar.
O fenômeno aparece de forma mais espetacular no basalto, uma rocha vulcânica escura e rica em ferro que entra em erupção quente e fluida e tende a se acumular em camadas espessas e uniformes. Ser espesso e uniforme importa. Um corpo profundo e homogêneo de lava esfria de forma lenta e constante, e é o resfriamento lento e constante que faz crescer colunas longas e limpas, em vez de um entulho caótico de fraturas. As colunas mais altas da Calçada dos Gigantes chegam a cerca de 12 metros (39 pés), e o basalto nos penhascos tem até 28 metros (92 pés) de espessura. No Devils Postpile, na Califórnia, um derrame de lava se acumulou em um vale fluvial até uma profundidade de cerca de 122 metros (400 pés) e produziu colunas de 12 a 18 metros de altura.
As fraturas crescem das superfícies de resfriamento para dentro. Um derrame de lava perde calor pelo topo, onde encontra o ar, e pela base, onde repousa sobre o solo frio. As fissuras nucleiam nas duas superfícies e se propagam em direção ao interior quente, e é por isso que um derrame bem exposto costuma mostrar colunas crescendo de cima para baixo, a partir do topo, e de baixo para cima, a partir da base, encontrando-se em algum ponto no meio.
Por que hexágonos? A regra dos 120 graus
Para entender por que as colunas preferem seis lados, esqueça a rocha por um instante e pense em lama secando. Uma poça seca da superfície para baixo. A lama do topo perde água, quer encolher e é contida pela lama úmida abaixo e pela lama ao lado. A tensão aumenta até a camada rachar. A lava em resfriamento faz a mesma coisa pelo mesmo motivo: quer se contrair, mas está presa à rocha ao redor; a diferença é que a contração vem da queda de temperatura, e não da perda de água. A matemática por trás dos dois processos é genuinamente a mesma, e é por isso que uma planície de lama seca e uma colunata de basalto vestem a mesma pele poligonal.
Agora, por que polígonos com cantos de aproximadamente 120 graus? Quando uma fissura se abre, ela alivia a tensão que puxa em ângulo reto através dela. A maneira mais eficiente de liberar uma tensão que puxa igualmente em todas as direções é rachar em três direções a partir de um único ponto, com essas três fissuras separadas por 120 graus. Três fissuras a 120 graus que se encontram em vértices compartilhados ladrilham o plano como hexágonos. Como explica o U.S. National Park Service, a tensão de contração é aliviada com mais eficiência por três fraturas que se encontram a 120 graus, e uma rede dessas junções ladrilha a superfície em polígonos de seis lados.
Um estudo de 2015 na Physical Review Letters, de Martin Hofmann e colegas, mostrou matematicamente que esse arranjo hexagonal é o resultado energeticamente favorecido, a configuração que libera mais energia de deformação à medida que as fissuras avançam. A natureza não está mirando hexágonos de modo algum. As fissuras simplesmente seguem o caminho de menor energia disponível, e nesse caminho a geometria resulta hexagonal.
Há uma complicação que vale a pena conhecer. As redes de fissuras muitas vezes começam desordenadas e retangulares, com fissuras que se encontram a 90 graus, e depois amadurecem rumo ao arrumado favo de 120 graus à medida que o fraturamento prossegue em incrementos repetidos. O físico Lucas Goehring descreveu como um padrão retilíneo pode evoluir para um hexagonal sob as mesmas forças. Quanto mais fundo em um derrame espesso você olha, mais regulares e hexagonais as colunas tendem a se tornar, porque o padrão teve espaço para se otimizar.
É também por isso que “todas as colunas de basalto são hexágonos” é um mito. Os hexágonos são simplesmente o resultado mais comum. No Devils Postpile, o USGS informa que “em média, 55% das colunas têm a clássica forma de seis lados (hexagonal)”, uma proporção famosamente alta e, ainda assim, de apenas cerca de metade. O restante tem cinco, quatro ou sete lados. O favo é apenas o resultado mais provável entre vários.
Quão quente? A janela de 840 a 890 °C
Durante muito tempo, a suposição óbvia era que a lava racha ao congelar, que as juntas se abrem no instante em que a rocha fundida se torna rocha sólida. Em 2018, uma equipe liderada por Anthony Lamur e Yan Lavallée, da Universidade de Liverpool, mediu a resposta, e a suposição óbvia estava errada.
Trabalhando com basaltos do vulcão Eyjafjallajökull, na Islândia, eles descobriram que esse basalto se solidificava por completo a cerca de 980 °C, mas as fissuras da disjunção não se formavam ali. A rocha precisa continuar esfriando, já sólida, até que a tensão suba o bastante para rompê-la. O resultado, publicado na Nature Communications, é preciso: a contração durante o resfriamento “induz o acúmulo de tensão abaixo da temperatura de solidus (980 °C), resultando em ruptura macroscópica localizada entre 890 e 840 °C”. Em suas palavras, “a disjunção colunar ocorre bem dentro do estado sólido das rochas vulcânicas”.
Essa janela de 50 graus, de aproximadamente 840 a 890 °C, é onde as colunas realmente nascem. A essa altura, a lava já não é lava em nenhum sentido relevante. É uma rocha quente, escura e sólida, sob deformação crescente, e em algum ponto desse intervalo ela cede. Assim, as colunas da Calçada dos Gigantes e do Devils Postpile não racharam em pedra fundida. Racharam em rocha em resfriamento, centenas de graus abaixo do ponto de congelamento.
Um passeio pelas grandes colunatas
Calçada dos Gigantes, Irlanda do Norte
A Calçada é a atração principal. Suas cerca de 40.000 colunas se formaram durante o Paleoceno, há cerca de 60 milhões de anos, quando o noroeste da Europa estava sendo rasgado e o Atlântico Norte estava se abrindo. Vastos derramamentos de basalto, a Província Ígnea do Atlântico Norte, inundaram a região, e uma espessa camada de lava se acumulou em um antigo vale fluvial e esfriou nas colunas sobre as quais caminhamos hoje. A UNESCO, que inscreveu o sítio como Patrimônio Mundial em 1986, descreve “cerca de 40.000 grandes colunas poligonais de basalto, de formato regular, em seções horizontais perfeitas, formando um pavimento”.
Depois há Finn McCool. Na lenda, o gigante irlandês Fionn mac Cumhaill construiu a calçada através do mar para lutar contra o gigante escocês Benandonner. Quando Fionn viu o tamanho enorme do rival, fugiu para casa, e sua esposa, de raciocínio rápido, o disfarçou de bebê em um berço. Benandonner chegou, deu uma olhada no tamanho do “bebê”, concluiu que o pai devia ser um monstro e correu de volta para a Escócia, arrancando a calçada atrás de si para não ser seguido. O mito tem um eco geológico: as colunas de basalto correspondentes da Gruta de Fingal, na ilha escocesa de Staffa, pertencem à mesma província vulcânica, a outra ponta da mesma estrada desaparecida.
Devils Postpile, Califórnia
Na Serra Nevada, perto de Mammoth Mountain, um derrame de basalto com menos de 100.000 anos preencheu um vale glacial e esfriou em um conjunto de colunas excepcionalmente limpo. O Devils Postpile é o exemplo de livro didático justamente porque suas colunas são tão regulares; o USGS atribui isso a uma “composição uniforme do magma, tamanho pequeno dos cristais e história de resfriamento lento em um cânion fluvial”. Mais tarde, uma geleira passou por cima da formação e cortou o topo das colunas, e depois o poliu até brilhar. O resultado é raro: dá para subir uma trilha até o topo e olhar diretamente para baixo, para os hexágonos em vista de planta, um piso de ladrilhos polidos por geleira 18 metros acima do tálus de colunas caídas na base.
Torre do Diabo, Wyoming, o caso atípico
A Torre do Diabo exibe as mesmas colunas caneladas, e é por isso que ela merece estar em qualquer conversa sobre disjunção colunar, mas é a exceção em dois aspectos. Primeiro, não é de basalto. A torre é feita de fonolito pórfiro, uma rocha ígnea de cor clara a esverdeada, salpicada de cristais de feldspato, intrudida há cerca de 40 milhões de anos. A física do seu fraturamento é a mesma história de contração, mas a rocha é quimicamente distinta do basalto da Calçada e do Postpile.
Segundo, os geólogos ainda discutem como ela chegou ali. Todos concordam que é uma rocha ígnea exposta pela erosão à medida que as rochas sedimentares mais macias ao redor foram sendo desgastadas. O que ninguém resolveu é o que era o corpo de magma. As propostas ao longo do último século incluíram um tampão ou pescoço vulcânico, um lacólito, um stock e, mais recentemente, um corpo de lava alojado em um vulcão do tipo maar-diatrema. O USGS afirma sem rodeios que “os geólogos debatem se o magma chegou ou não à superfície como uma erupção vulcânica”. A Torre do Diabo é um lembrete de que uma forma de relevo famosa pode ser perfeitamente bem descrita e, ainda assim, não ser plenamente explicada.
Juntas colunares além da Terra
Como a receita é apenas “um corpo espesso de material em resfriamento que se contrai”, o padrão não é exclusivo da Terra, nem exclusivo de rochas. Dá para fazer crescer juntas colunares em uma cozinha. Em 2009, Lucas Goehring, L. Mahadevan e Stephen Morris publicaram um estudo na PNAS mostrando que misturas espessas de amido de milho em secagem racham em colunas “geometricamente semelhantes às juntas colunares de lava em resfriamento encontradas em sítios geológicos como a Calçada dos Gigantes”. O amido de milho seca; a lava esfria; a matemática subjacente do fraturamento sob tensão diferencial é a mesma, então os padrões coincidem.
No mesmo ano, uma equipe liderada por Moses Milazzo, usando a câmera HiRISE da NASA, relatou disjunção colunar em Marte. Na parede de uma cratera recente de 16 quilômetros, em uma região chamada Marte Vallis, eles encontraram colunas de cerca de 30 a 40 metros de altura que “exibem as características dos basaltos colunares terrestres”, a primeira detecção inequívoca de disjunção colunar em outro planeta. A lava esfriou em Marte do mesmo modo que esfria em Antrim, e deixou a mesma assinatura. O favo, ao que parece, pertence à própria física e aparece onde quer que as condições se repitam.
Perguntas frequentes
Por que as colunas de basalto são hexagonais?
À medida que a rocha em resfriamento se contrai, ela acumula tensão e racha. A tensão que puxa igualmente em todas as direções é aliviada com mais eficiência por três fissuras que se encontram em ângulos de 120 graus, e uma rede de junções de 120 graus ladrilha a superfície em polígonos de seis lados. O arranjo hexagonal libera mais energia de deformação, por isso é a configuração em que as fissuras naturalmente se estabilizam.
Todas as colunas de basalto colunar têm seis lados?
Não. Os hexágonos são a forma mais comum, mas não a única. As colunas podem ter de três a sete lados. Mesmo no Devils Postpile, uma das formações mais regulares da Terra, apenas cerca de 55% das colunas são hexágonos de verdade; as demais têm, em sua maioria, cinco ou quatro lados.
Quanto tempo a Calçada dos Gigantes levou para se formar?
A lava entrou em erupção há cerca de 60 milhões de anos, durante o Paleoceno, como parte da atividade vulcânica que acompanhou a abertura do Atlântico Norte. As próprias colunas se formaram durante o resfriamento dessa camada de lava, um processo de contração e fraturamento que se desenrolou à medida que a rocha sólida esfriava por temperaturas de cerca de 840 a 890 °C.
A Torre do Diabo é feita de basalto?
Não. Apesar das colunas semelhantes às de basalto, a Torre do Diabo é feita de fonolito pórfiro, uma rocha ígnea quimicamente diferente, intrudida há cerca de 40 milhões de anos. Sua origem exata ainda é debatida, e os geólogos se dividem entre um pescoço vulcânico, um lacólito ou um corpo alojado em um vulcão do tipo maar-diatrema.
Onde posso ver basalto colunar?
Locais famosos incluem a Calçada dos Gigantes, na Irlanda do Norte, o Devils Postpile, na Califórnia, a Gruta de Fingal, em Staffa, na Escócia, a lateral da Torre do Diabo, em Wyoming (de fonolito, e não de basalto), e muitos derrames de basalto pelo mundo. A disjunção colunar chegou a ser registrada em imagens em Marte, em Marte Vallis.
A forma do resfriamento
As colunas da Calçada dos Gigantes não são a estrada de um gigante, e não são lava congelada no meio do derramamento. São o registro de rocha sólida esfriando por uma estreita faixa de temperatura, contraindo-se e encontrando o jeito mais barato de se partir. A mesma aritmética da contração atravessa uma planície de lama em secagem, uma bandeja de amido de milho e a parede de uma cratera em Marte. Depois que você vê os hexágonos em um lugar, passa a encontrá-los em todo lugar, que é exatamente o que se esperaria de um processo governado pela física.
