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relativa) (Datación
absoluta) (Introducción
a las eras geológicas) (Precámbrico) (Cámbrico,
ordovícico, silúrico) (Devónico,
carbonífero, pérmico) (El
mesozoico edad de los dinosaurios) (El
cenozoico edad de los mamíferos) (Referencias
bibliográficas)
El siglo XX emergió con una enorme pregunta para la geología ¿Cuánto tiempo habían durado las eras geológicas? Algunos de los primeros intentos se basaron en la dendrocronología, este método desarrollado a principios del siglo XX por el astrónomo Estadounidense Andrew Ellicott Douglass (1867-1967) y se basa en los círculos concéntricos que se encuentran en los árboles (Douglass, 1909, 1919, 1920; Huntington, Schuchert, Douglass, & Kullmer, 1914) Cada circulo representa un ciclo anual, por lo que el grosor de laca circulo no solo representa el año, sino las condiciones ambientales como la lluvia en aquel año. Por lo general este tipo de datación absoluta –que permite asignar valores numéricos de ciclos anuales solares –solo va hasta unos cientos de años atrás, pero algunos árboles muy viejos han permitido asignar fechas a unos pocos miles de años.
Figura 32. Asignarles fechas
a los estratos es el principal objetivo de la datación absoluta.
Otro método análogo a los anillos de hielo es la datación de
los núcleos de hielo, sin embargo contar las capas de hielo probó ser una labor
bastante compleja y solo se volvió efectiva a medida que la química y la física
arrojaron nuevos métodos para el análisis de materiales en el siglo XX. Por
ejemplo, en la actualidad los núcleos de hielo se emplean en combinación con
los métodos de decaimiento radioactivo (Crozaz & Langway Jr, 1966; Parrenin, Jouzel, Waelbroeck, Ritz, &
Barnola, 2001)
Por mucho, la metodología que ha abierto las puertas al
conteo absoluto del tiempo fue la datación radiométrica. Aunque para entonces
la mayoría de la comunidad científica de geólogos y paleontólogos ya había
aceptado la noción de un planeta antiguo, nadie tenía un método que en verdad fuera
absoluto, de hecho, el propio decaimiento radioactivo había desviado las
mediciones de Lord Kelvin arrojando valores de una Tierra más joven de lo que
era (Burchfield, 1975).
La datación radioactiva surgió en paralelo a los métodos
anteriores, es decir durante la primera década del siglo XX de la mano de
Bertram Borden Boltwood (1870-1927), un físico de la universidad de Yale y
perteneciente al grupo de investigación de Rutherford. Fue el primero en
determinar el producto de desintegración del uranio (el plomo) y bajo la guía
de Rutherford realizó las primeras dataciones por el método del Uranio-Plomo (Boltwood, 1907; Holmes, 1911). A continuación, indagaremos
con mayor profundidad a cerca de los métodos de datación absoluta basados en la
física, especialmente la datación radiométrica.
Para una muestra lo suficientemente grande de material
radioactivo se dice que la radiación es directamente proporcional a la cantidad
de materia, es decir la cantidad de núcleos radioactivos (N).
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La constante (k) es denominada constante de
decaimiento radioactiva, y es característica de cada núcleo específico. Debido
a que la actividad implica el número de desintegraciones por unidad de tiempo,
la ecuación se describe del siguiente modo. Existen menos núcleos (N) al
final que, al inicio, por lo tanto, la diferencia (N) se encuentra en
notación negativa.
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Para obtener la ley en cualquier tiempo (t) procedemos a
realizar la integración, nótese que la estructura es similar a la de una reacción
de primer orden.
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La ecuación básica de la datación radiométrica: (N0)
núcleos parentales; (N) núcleos filiales; (t) tiempo; (k)
constante de decaimiento, es la portadora de la unidad ya sea minutos, horas,
días o años. esta ecuación puede modificarse dependiendo del contexto geológico
analizado.
Las condiciones establecen que los núcleos en tiempo (2) son
la mitad de los que había originalmente, lo cual nos permite expresar todo en
términos de la cantidad original de núcleos. Lo mismo para el tiempo (t).
Una vez que las condiciones son identificadas reemplazamos en la ley del
decaimiento radioactivo.
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La datación radiométrica es una técnica empleada por los
geólogos, arqueólogos e historiadores para determinar la edad de objetos
antiguos dentro de unos marcos de referencia determinados. La edad de un objeto
derivado de las plantas o los animales como la madera, la fibra vegetal, el
cuero puede ser determinado mediante la técnica del carbono 14.
YouTube. Michio
Kaku - Evidencia geológica de la edad de la Tierra.
El carbono 14 solo puede formarse en la alta atmósfera
mediante el bombardeo de los rayos cósmicos al nitrógeno 14, lo cual genera
este carbono que es empleado igual que el carbono 12 en la cadena alimenticia.
Cuando el ser vivo muere la proporción de carbono 14 disminuye con respecto a
la de carbono 12 debido a que no ingresa nuevo carbono desde la atmósfera. Con
determinar la vida media es posible extrapolar o interpolar los valores, ya que
todo isotopo genera una curva basada en un logaritmo natural, la única variable
real es la constante (k) la cual puede ser determinada empleando la vida
media o Ecuación 11:
Por ejemplo, para el carbono 14 la vida media es de 5730 años.
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Con este resultado, se reemplaza en la ecuación de la ley
del decaimiento radioactivo.
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Que para el carbono 14 sería.
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Las pruebas radiométricas dependen de variables, como la
capacidad de medir la muestra y la ausencia de contaminantes, por esta razón
para el carbono 14 solo son válidas muestras de seres que alguna vez estuvieron
vivos, que contengan carbono y que sean menores a unos 60 000 años.
YouTube. La
historia de la tierra 3 Edad de la tierra Radioactividad Urano Plomo.
Para determinar la edad de objetos más antiguos se emplean
técnicas de otros elementos. Un ejemplo es el uranio 238 el cual decae en serie
hacia el plomo 206. La vida media del uranio 238 es muy larga, un criterio
necesario para medir la edad de objetos muy antiguos. Puesto en términos
simples, las concentraciones de uranio 238 y plomo 206 son determinadas por el
tipo de roca, la razón de ambas concentraciones junto con la vida media del
uranio 238 se emplean para calcular la edad de la roca. Esto funciona debido a
que la roca se crea a partir del magma, pero la concentración de plomo 206 en
el magma es conocida “vale 0”. Probablemente la desintegración más empleada
para datar rocas es el potasio 40 – argón 40. El potasio 40 es un isótopo con
una vida media casi tan larga como la del uranio, lo cual lo hace ideal para
realizar corroboración cruzada de los datos obtenidos por la técnica del uranio
238. Para ambos métodos la edad mínima medible sin desviaciones representativas
es de unos 300 000 años.
La ecuación básica de la datación radiométrica requiere que
los núcleos involucrados en la desintegración estén confinados del medio
externo, de modo tal que el radio entre las dos sustancias esté afectado solo
por las fuerzas del decaimiento radioactivo. En caso de que no se cumplan estas
condiciones, es necesario contextualizar las probables condiciones que afectan
la medición para hacer las correcciones necesarias en la ecuación. En
consecuencia, es necesario contar con la mayor cantidad de información posible
del mineral que está a punto de ser analizado (Stewart et al., 1996).
La precisión aumenta si se emplean múltiples muestras de
diferentes locaciones del mismo cuerpo rocoso. En ocasiones pueden analizarse
diferentes minerales en una misma muestra formada en un mismo evento geológico,
estas muestras se denominan isócronas. Por otra parte, para generar una fecha
mínimamente aceptable se requiere una combinación de varios métodos y varios
muestreos, los cuales deben arrojar intervalos consistentes. Por ejemplo,
cuando se realizó la datación de muestras del precámbrico de Groenlandia de la
localidad de Amitsoq se emplearon cinco métodos para doce muestras, si los
métodos se basaran en presunciones equivocadas, se esperaría que cada un
arrojara una edad diferente con órdenes de magnitud discordantes, pero al
realizar los cálculos se obtuvo una congruencia de 3.640 millones de años, con
un intervalo de confianza de 30 millones de años (Dalrymple, 1994). El intervalo de confianza es generado por
imprecisiones, ya sea el trabajo de laboratorio o en los supuestos iniciales,
sin embargo, no son lo bastante fuertes como para desviar los resultados de
forma significativa.
No puede aplicarse cualquier método a cualquier tipo de
roca, del mismo modo en que no empleamos un mismo método de medición a
diferentes distancias. Por ejemplo, un odómetro que mide en kilómetros no puede
emplearse para medir el grosor de un cabello, que requiere de una microregla.
Del mismo modo, algunos métodos radiométricos simplemente agotan muy rápido los
núcleos parentales, y por lo tanto tienen un límite de medición máximo, un
ejemplo de esto es el carbono-14 con un límite superior de 60.000 años.
YouTube. El reloj
de la historia.
Otros métodos simplemente son demasiado lentos como para
medir una diferencia estadísticamente significativa en una muestra reciente,
por lo que solo pueden ser aplicados con confianza en muestras antiguas. De lo
contrario, el mismo error de procedimiento y muestreo puede ser más
significativo que la diferencia generada por la propia desintegración de los
núcleos arrojando edades aleatorias. Este sucede por ejemplo al aplicar el
método del Uranio-Plomo a muestras recientemente formadas. El carbono 14 también
posee este límite inferior, ya que se ha determinado que es altamente impreciso
cuando se analizan muestras muy recientes arrojando valores aleatorios en
términos de (Reimer et al., 2004).
YouTube. Métodos de
datación.
El mismo método puede generar desviaciones, por lo que el
desarrollo tecnológico para determinar núcleos ha ido avanzando con los años,
en la actualidad la técnica más empleada es la espectrometría de masas (Dickin, 1997).
Aunque por alguna razón la cultura popular parece enamorada
del método del carbono-14 que ya ha sido tratado con anterioridad, no es el
único, y ni siquiera fue el primero de los métodos de datación radiométrica
propuestos a lo largo del siglo XX (Geyh & Schleicher, 1990). La datación radiométrica
puede ser llevada a cabo en la actualidad en muestras de isótopos filiales tan
grandes como nanogramos empleando la técnica del espectrómetro de masas. El
espectrómetro de masas fue inventado en 1940 para determinar la presencia de
átomos en una determinada muestra como parte de los instrumentos del
laboratorio de química analítica. Su uso para la datación radiométrica comenzó
desde la década de 1950, funciona ionizando los átomos a analizar, luego los
iones viajan a través de un campo magnético que separa la muestra.
YouTube. Espectrometría
de masas.
La identificación se realiza debido a que cada elemento
posee una curva de desviación característica bajo unas condiciones de
ionización y de interacción magnética concretas. Los iones desviados impactan
en receptores llamados copas de Faraday que emiten una señal que puede ser
empleada para determinar la cantidad de sustancia en la muestra.
El método del Uranio-Plomo
El método del uranio-plomo fue el primero en ser reportado
por el grupo de investigación de Rutherford en la primera década del siglo XX,
y ha sido refinado hasta obtener errores de 0.8% para muestras con antigüedades
apropiadas (Manyeruke et al., 2004; Oberthür, Davis, Blenkinsop, & Höhndorf,
2002),
aunque estos porcentajes de error dependen de la juventud de la roca, por
ejemplo en rocas muy recientes el error
de medición puede subir hasta el 5% como en muestras del mesozoico (X. Li, Liang, Sun, Guan, & Malpas, 2001).
El método del Uranio-Plomo depende de una presunción
importante y es que el sistema de uranio en decaimiento debe estar aislado del
medio externo por medio de un cristal como el Zircón (silicato de zirconio) o
la baddekeyita (dióxido de zirconio). El Zircón se cierra a muy altas
temperaturas impidiendo que el átomo filial de la desintegración escape. Sin
embargo, en ocasiones este cierre no es completo lo cual provoca que algunas cantidades
de plomo se pierdan. La desviación provocada afecta la datación haciendo que la
muestra aparente ser más JOVEN de lo que realmente es.
Una forma de calibrar este error es que el método del uranio
plomo es en realidad dos. El primero mide el decaimiento de uranio-235 a
plomo-207; y el segundo decaimiento va del uranio-238 al plomo 206. Los dos
decaimientos tienen una vida media completamente diferente, la primera es de
700 millones de años y la segunda de 4500 millones de años.
Debido a que una de las formas de plomo es más pesada que la
otra, se esperaría que cuando el cristal pierde plomo, el reloj basado en plomo
206 se pierda más rápido que el plomo 207, lo cual conllevaría a edades
discordantes entre los dos métodos. Si la técnica arroja que los dos
decaimientos arrojan edades similares podemos asumir con confianza que el
sistema está calibrado.
Adicionalmente, el zircón tiene puede tener múltiples capas,
cada una con su propia fecha de inicio como sistema radiocronológico, por lo
que ha sido necesario emplear técnicas más finas para obtener edades más
concretas y no simplemente promedios de las edades de un grupo de capas (Ireland, 1999).
El método del samario-neodimio
Es un método complejo ya que los diferentes minerales que
los encierran afectan de algún modo la relación entre el isótopo parental y el
isótopo filial, en este sentido se emplean funciones que toman en cuenta estos
escapes o acumulaciones (Dickin, 1997)v,
por lo que es usado como parte de una isócrona con los métodos del Rubido-Estroncio
y el plomo-plomo. El decaimiento de samario 147 a neodimio 143 tiene una vida
media de diez mil seiscientos millones de años, por lo que es útil para
meteoritos que sean más viejos que el planeta Tierra.
El método del potasio-Argón
Se basa en el decaimiento por emisión de positrones del
potasio-40 a argón-40 con una vida media de mil trescientos millones de años,
por lo que aplica a edades similares del método del uranio-plomo siempre que se
encuentren micas, feldespatos, y hornablenditas adecuadas (Dalrymple & Lanphere, 1969).
El método del rubidio estroncio
Se basa en el decaimiento de rubidio-87 a estroncio-87 con
una vida media de cincuenta mil millones de años, y se emplea para datar rocas
ígneas o metamórficas muy viejas. Debido a que las temperaturas de cerramiento
son muy altas no se espera que los núcleos filiales escapen en concentraciones
detectables. Es un método más impreciso que el del Uranio-Plomo, por lo que se
emplea para corroborar el orden de magnitud arrojado por otros métodos (Bowen, 1994).
Podríamos continuar con otros métodos, pero por el momento con
estos será suficiente.
Aunque el principio básico de la datación radiométrica es
teóricamente simple, experimentalmente es muy compleja, en análisis químico
debe realizarse con una precisión dolorosamente exacta, debido a que la más
leve desviación puede alterar la medida en millones de años, por esta razón se
deben emplear múltiples repeticiones para determinar los errores de
procedimiento, ya sea por los límites de detección del equipo, o por los
errores de procedimiento del operario. Algunos métodos presentan complejidades,
por ejemplo el mismo método del uranio-plomo requiere tomar en cuenta el
decaimiento de los 11 núcleos inestables en medio, en otras ocasiones los
minerales alrededor pueden acumular o perder materiales a ritmos constantes, lo
cual implica la necesidad de realizar correcciones en las fórmulas, las cuales
deben posteriormente ponerse a prueba por métodos de doble ciego para
determinar que el método sea coherente y no de resultados aleatorios.
La edad promedio es importante, todo método tiene un límite
superior donde al reloj se le acaba la forma de medir el tiempo ya que el
isotopo parental decae a niveles indetectables, y también límites inferiores
debido a que el isótopo filial aún no se ha producido en niveles detectables.
El empleo de varios métodos en sistemas estadísticos de doble ciego, con
patrones estandarizados permite tener una confianza relativa en que las edades
arrojadas son correctas dentro de los intervalos de confianza arrojados.
Otro factor que arroja confianza en los valores
radiométricos ha sido con su concordancia con el orden de la escapa geológica
una vez que esta ha sido organizada por medio de los métodos cualitativos,
estas dos líneas de evidencia obedecen a fundamentos diferentes, pero que al
converger incrementan el nivel de confianza que tenemos sobre el modo en que
entendemos la historia del planeta. Ahora, ya teniendo la información de cómo
se organiza y como se fecha la escala geológica, comenzaremos su estudio.
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