Foto cortesía de Paul Mueller
¿Cuáles son las rocas más antiguas de la Tierra y cómo se formaron? El material que ofrece más información sobre estas cuestiones fundamentales, ya que puede contener un registro de parte de la historia más antigua de la Tierra, es un mineral llamado circón. Por ejemplo, unos pocos granos de circón encontrados a principios de la década de 1990 en una arenisca del oeste de Australia se remontan a 4.200-4.300 millones de años, y sabemos por los meteoritos que la Tierra no es mucho más antigua, 4.560 millones de años. Los profesores de geología Darrell Henry, de la Universidad Estatal de Luisiana, y Paul Mueller, de la Universidad de Florida, son expertos en varias técnicas que pueden extraer información precisa sobre la edad de los circones. Están buscando algunas de las rocas más antiguas de la corteza continental, los circones que hay en ellas y las pistas que contienen los circones sobre la formación del planeta.
Originalmente formados por cristalización de un magma o en rocas metamórficas, los circones son tan duraderos y resistentes al ataque químico que rara vez desaparecen. Pueden sobrevivir a muchos acontecimientos geológicos, que pueden quedar registrados en anillos de circones adicionales que crecen alrededor del cristal original como los anillos de los árboles. Como una pequeña cápsula del tiempo, el circón registra estos acontecimientos, cada uno de los cuales puede durar cientos de millones de años. Mientras tanto, el propio núcleo del circón permanece inalterado y conserva las características químicas de la roca en la que cristalizó originalmente.
El circón contiene el elemento radiactivo uranio, al que el Dr. Mueller llama «el reloj dentro del circón» porque se convierte en el elemento plomo a un ritmo específico durante un largo período de tiempo. Según Mueller, esto hace que los circones sean «el cronómetro natural más fiable que tenemos cuando queremos observar la parte más temprana de la historia de la Tierra». Continúa explicando que hay dos formas de contar el tiempo en geología. «Una es el tiempo relativo, lo que significa que si hay un mineral de un tipo, y creciendo a su alrededor hay un mineral de un segundo tipo, se sabe que el mineral interior se formó primero, pero no se sabe cuánto tiempo transcurrió entre ambos». Henry evalúa este tipo de relaciones entre minerales en las rocas. A partir de los tipos de minerales y su distribución en las rocas, reconstruye una secuencia relativa de acontecimientos que refleja el cambio en el tiempo de parámetros como la presión, la temperatura y la deformación. «Si tengo una roca metamórfica», explica el Dr. Henry, «puedo utilizar los tipos de minerales y su química para determinar las condiciones que la roca ha experimentado en algún momento de su historia. Por ejemplo, una temperatura de 700°C y una presión elevada de varios miles de veces la presión atmosférica implican que ha estado en las profundidades de la corteza en algún momento de su historia geológica». Infiere lo que ha ocurrido con las rocas, pero no cuánto tiempo hace que ocurrió. Ahí es donde entra el segundo tipo de tiempo: el absoluto frente al relativo. «Intentamos aportar el cuándo», explica Mueller. «Mi trabajo consiste en examinar la química de la roca, incluidos sus isótopos, y tratar de deducir los tiempos absolutos de los acontecimientos que se registran en la roca y en sus circones».»
¿Cuán precisos son esos números reales? «Dependiendo de la historia de la roca, podemos fechar cosas hoy en día hasta algo del orden de unas centésimas de su edad», responde Mueller. Eso se traduce, por ejemplo, en más o menos un millón de años sobre tres mil millones. La datación por carbono 14 no puede remontarse más allá de unos 70.000 años, porque la vida media del carbono 14 es de sólo 5.730 años. (La vida media es el tiempo que tarda la mitad del isótopo radiactivo original en cambiar a otro elemento). En comparación, la vida media del isótopo radiactivo del uranio 238 es de 4.500 millones de años, lo que lo hace útil para datar materiales extremadamente antiguos.
La cronología del zircón comienza en el campo. «Se sale a buscar relaciones de edad relativas, a ver qué unidad de roca se formó primero», dice Henry. «Por ejemplo, puede haber un granito que contenga trozos de otros tipos de rocas encerrados en el granito. Por su posición, sabemos que las rocas encerradas en el granito tienen que ser más antiguas». Los geólogos cartografían una zona para identificar estas relaciones de edad relativa. A continuación, recogen muestras, que pesan de dos a más de cien libras, dependiendo del tipo de roca. Los zircones no son raros; de hecho, son comunes en las rocas graníticas. Pero son granos diminutos que constituyen sólo una pequeña fracción de cualquier muestra, normalmente menos de una décima parte del uno por ciento, y están dispersos por toda la roca. Esto hace que la separación de los circones sea un proceso minucioso. La roca se tritura para dividirla en granos minerales individuales. A continuación, «como el circón es más denso que casi cualquier otro mineral, ponemos la roca molida en un líquido con una densidad muy alta para que sólo los minerales más densos caigan al fondo», explica Henry. En otras palabras, dice Mueller, «los circones se hunden. También utilizamos las cualidades magnéticas de los circonios para separar los más prístinos del resto».
Entonces comienza el trabajo de geocronología detallada. «Tomo una fracción de esos circones, hago secciones finas de ellos -rebanadas de mineral de treinta micrómetros de grosor, más o menos como un cabello, que se montan en vidrio- y me hago una idea de cómo son en términos de patrón de zonificación, si sufrieron múltiples episodios de crecimiento, lo simples o complejos que son», dice Henry. Transmite esta información a Mueller, junto con el contexto geológico de la muestra. «También miro una sección fina de la roca para saber algo sobre el marco en el que se encuentra el circón. ¿Está en un granito? ¿O está en una roca metamórfica que ha tenido una historia más compleja? ¿O es una roca sedimentaria metamorfoseada? Conociendo su historia, podemos interpretar mucho mejor la edad de la roca».
«Para comprender la historia geológica relativa de una roca, Darrell utiliza secciones delgadas porque le interesan las relaciones entre todos los minerales, que componen la roca», explica Mueller. «Sin embargo, para la geocronología, nos interesan los minerales que constituyen una décima parte del uno por ciento o menos». Observa el circón mediante varias técnicas – «luz reflejada en los granos, luz transmitida a través de ellos, luz catodoluminiscente resultante de golpear el circón con un haz de electrones»- para establecer la escala a la que deben analizarse los granos de circón. El microanálisis cuantitativo de los elementos del circón se realiza con una microsonda de electrones. «Esto nos permite analizar cosas a escala de micras (una millonésima parte de un metro) utilizando un fino haz de electrones», explica Henry. «Los electrones irradian la muestra, haciendo que los átomos de la propia muestra emitan rayos X. Cada uno de los átomos de los distintos elementos de la muestra emite rayos X con longitudes de onda características. A continuación, se pueden comparar con un patrón con una concentración conocida del elemento y obtener una composición exacta de esa pequeña mancha. Un grano de circón individual puede estar compuesto por muchas zonas de diferentes composiciones y edades. Las composiciones isotópicas pueden determinarse con una sonda de iones. ¿Queremos observar todo el grano, o debemos dirigir un diminuto haz de iones de oxígeno, de 300 micrómetros de diámetro, sobre partes del grano de circón para analizar los isótopos de U (uranio) y Pb (plomo) y así poder datar ese punto y diseccionar la historia individual del circón?» Alternativamente, el uranio y el plomo pueden separarse químicamente cuando un grano individual de circón se disuelve en ácido fluorhídrico. «Luego los analizamos en un espectrómetro de masas, que nos da las proporciones de los isótopos individuales de uranio y plomo, y a partir de ahí podemos calcular el tiempo», explica Mueller.
En última instancia, dice Henry, «todos estos datos se combinan en una imagen más amplia de cómo funcionaba la Tierra hace miles de millones de años». En palabras de Mueller, «todo se reduce al hecho de que cuanto más sepamos sobre la variedad de rocas que formaron los primeros continentes y cómo evolucionaron éstos, mejor será nuestra ventana a cómo se formó la Tierra y a los primeros procesos que separaron la corteza del manto y probablemente incluso el manto del núcleo.» Mueller describe su colaboración con Henry como un viaje paralelo. «Nuestras investigaciones marchan por el mismo camino, y a veces nos cogemos de la mano y a veces vamos por caminos separados». En cualquier caso, intercambian constantemente la información obtenida con sus diferentes enfoques, y siempre hay algo nuevo que ver. Mueller lo resume así: «Una roca es mucho trabajo»
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