IV.LA COMPOSICIÓN Y EDAD DE LA TIERRA
D. J. TERRELL*
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PARA poder entender la relación entre el ser humano y su medio
es necesario conocer los procesos que actúan en la Tierra. Por otro lado,
estos conocimientos también son útiles para un mejor aprovechamiento de los
recursos naturales. Es de especial importancia conocer a fondo los procesos
que dan origen a los recursos no renovables pues de ese conocimiento depende
el aprovechamiento correcto de los recursos. También son necesarios estos
conocimientos para determinar los efectos que las actividades humanas causan
sobre el medio y así poder evitar muchas de las causas de la contaminación.
Los procesos físicos y químicos de la Tierra son muy variados y ocurren en muy diversas escalas de tiempo. Algunos ocurren con una duración de poco tiempo (segundos-días) de tal manera que son perceptibles por el ser humano (tormentas, temblores, explosiones volcánicas, etc.); otros ocurren lentamente y son casi imperceptibles, tal es el caso del movimiento de los continentes. Algunas manifestaciones que se dan en un tiempo relativamente breve, como la erupción de un volcán, están íntimamente ligadas con fenómenos de larga duración. Aunque estos fenómenos ocurren lentamente, se manifiestan algunas veces con efectos notables en corto tiempo. Es principalmente por medio de estas manifestaciones que el proceso puede ser estudiado.
Los procesos que actualmente se manifiestan no pueden ser entendidos en profundidad si no se conoce el origen mismo del proceso, tanto desde el punto de vista de la energía como del momento en que dio principio. Un aspecto que permite acercarnos a estos dos conocimientos es la composición de los materiales geológicos. Puesto que en la composición se tiene una gran información física y química, ésta puede ser utilizada para proponer modelos que expliquen la generación y evolución de ese material geológico.
El origen de nuestro planeta está ligado al origen del Sistema Solar. Por lo tanto, no pueden separarse las teorías de formación del Sistema Solar de los conocimientos sobre la composición de los cuerpos que lo componen. La mayor parte de los conocimientos sobre la composición química de otros planetas y cuerpos del Sistema Solar se obtienen indirectamente. Sólo casos muy aislados se tienen en donde se han realizado mediciones directas de la abundancia de algún elemento en otro planeta. Por ejemplo, ya se han explorado varios elementos en rocas traídas de la Luna.
Afortunadamente ha sido posible recuperar algunas muestras de objetos que han caído a nuestro planeta. Se ha sugerido que la mayoría de estos objetos provienen de una región en el Sistema Solar en donde se encuentran los asteroides. Estos cuerpos de tamaños variados se encuentran en la órbita que teóricamente debería ser ocupada por un planeta. De aquí se generan dos clases de teorías que tratan de explicar la existencia de los asteroides; por un lado, se propone que originalmente un planeta existió allí y fue desintegrado por la colisión con otro cuerpo; por otro lado, se propone que los asteroides son el material de un planeta que no llegó a formarse. Este material representa al que intervino en la integración de cuerpos planetarios de tipo terrestre, como Marte y la Luna. Independientemente de los modelos propuestos para explicar el origen de los asteroides se ha podido encontrar cierta correspondencia entre su composición y la de algunos materiales terrestres. Se ha sugerido que el material contenido en un tipo de meteoritos (condritas) representa el material primitivo que dio origen al planeta Tierra.
ELEMENTOS MAYORES Y ELEMENTOS TRAZA
Aproximadamente el 99% de nuestro planeta está constituido solamente por 14 elementos que son: Si, Ti, Al, Fe, Mn, Mg, Ca, Na, K, P, C, O, H, N. Éstos son llamados elementos mayores. Los otros elementos naturales (más de 70) son tan escasos que prácticamente no intervienen en la caracterización de los materiales. Éstos son llamados elementos traza; esto es: las características como mineralización, densidad, etcétera, son principalmente determinadas por la abundancia de los elementos mayores. De esta manera se puede definir una composición tipo para rocas y minerales; así por ejemplo las rocas riolitas contienen aproximadamente 70% de SiO2 y de 4 a 5% de K2O mientras que las rocas basálticas tienen aproximadamente 45-50% de Si02 y ~1% de K20. Así se puede ir numerando una a una las concentraciones típicas para cada tipo de roca. Sin embargo, el argumento inverso no es aplicable pues un granito (roca intrusiva) tiene una composición (~70%, SiO2 y ~4% K20) parecida a la riolita, una roca extrusiva, pero por tratarse de ambientes de emplazamiento diferente son rocas diferentes. Una de ellas cristalizó enterrada (intrusiva), la otra fue emplazada en la superficie (extrusiva).
Figura 21.
Aunque los elementos traza no determinan las características que definen a las rocas y minerales, sí contienen información muy valiosa para el entendimiento de los procesos fisicoquímicos ocurridos. Esta información puede ser ejemplificada con la huella dactilar que en un dedo identifica a un individuo sin que en sí misma forme parte material de un dedo. Las características físicas y químicas de cada elemento traza permitirán obtener cierta información del proceso; así algunos elementos pueden ser usados para estudiar temperaturas, presión, tiempo y otros parámetros fisicoquímicos.
MÉTODOS EXPERIMENTALES DE ANÁLISIS
Para poder entender las bases que determinan la abundancia de un elemento es necesario saber cómo está constituido. Los elementos son conjuntos de átomos cuyo comportamiento químico es similar. Los átomos, como pequeñísimos sistemas planetarios, están formados por un núcleo "central" y electrones que se mueven en órbitas a diferentes distancias de núcleo. Los electrones son partículas con carga eléctrica negativa, el núcleo está formado por partículas eléctricas positivas y partículas sin carga eléctrica.
Figura 22.
El comportamiento químico está relacionado con la distribución de los electrones en las últimas —más externas— capas. Por otro lado, el comportamiento físico esta relacionado a sus propiedades físicas tales como tamaño y masa. Cuando un átomo es perturbado puede cambiar su nivel de energía moviendo uno o varios electrones de lugar. También existen átomos que teniendo la misma configuración electrónica son diferentes en la cantidad de partículas en el núcleo, a tales átomos se les da el nombre de isótopos. Estos átomos isótopos tendrán por lo tanto el mismo comportamiento químico (esto es, que son del mismo elemento) pero sus propiedades físicas como su masa son diferentes. Algunos átomos tienen una configuración nuclear tal que son inestables y decaen emitiendo radiación. Éstos son llamados "radiactivos" y son estudiados utilizando la radiación que emiten.
Las técnicas analíticas para determinar la composición química de una roca o mineral son tan variadas como las propiedades mismas de los elementos. Algunas técnicas se basan en la facilidad que ciertos elementos tienen para combinarse mostrando ciertas preferencias con el resto. Otras técnicas se basan en la distribución de los electrones en los átomos y en las emisiones características de energía implicadas en el cambio de posición de los electrones. Algunas más, usan las propiedades físicas características de los átomos para cuantificarlos, así un espectrómetro de masa se basa en la medición de la relación entre masa y carga de un átomo cargado eléctricamente.
Antes de poder analizar cualquier material es necesario obtenerlo por medio de un muestreo planeado. En la colección misma del objeto por estudiar se obtiene información, tal como su posición geográfica, que será utilizada posteriormente en la interpretación de los resultados analíticos. Los métodos de colección de muestras son determinados por las características de la localización de la muestra; así se tienen perforadoras de roca, submarinos, dragas de barco, botellas, martillos y marros, etc., como instrumentos de muestreo. Sólo una característica común tienen todos los métodos de muestreo, y es que el trabajo se desarrolla en el campo o en el mar, fuera de una habitación cerrada.
Aunque todavía no se tiene una idea única sobre la formación de la Tierra, puede decirse que el nacimiento de nuestro planeta ocurre en el momento que su solidificación produce la reunión de la mayor parte del material que aún la constituye. Sabemos que algo de material ha sido capturado posteriormente, como se dijo con anterioridad, meteoritos han caído en la Tierra, pero su cantidad en relación a la masa del planeta es prácticamente despreciable. Lo mismo puede decirse de los gases ligeros que como el helio han sido perdidos hacia el espacio, en algunas ocasiones constituyendo una fracción de la parte más exterior de la atmósfera. Cabe mencionar que en los sesenta, los satélites descubrieron una capa atmosférica tenue que contiene helio.
El nivel de solidificación de nuestro planeta varía con la profundidad. Por
medio de los estudios de las ondas sísmicas*
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se
ha propuesto una configuración de la Tierra como la de esferas concéntricas
definidas por su estado de solidificación y composición. Así se propuso que
el interior de la Tierra está formado por un núcleo sólido de composición
metálica fierro-níquel, rodeado por una capa de alta viscosidad. Más allá
del núcleo está una esfera caracterizada por minerales silíceos llamada "manto",
sobre la cual se encuentra una capa rocosa más o menos rígida relativamente
delgada que contiene a la corteza terrestre incluyendo a los suelos marinos
y oceánicos. Esta capa definida con base en la transmisión de las ondas sísmicas,
recibe el nombre de litosfera.
Para establecer, estas hipótesis sobre la configuración, se hace uso de métodos indirectos como el estudio del magnetismo, la gravedad y la sismicidad de la Tierra. En forma directa no es posible colectar muestras a gran profundidad ya que sólo ha sido posible perforar unos cuantos kilómetros. Sólo materiales que salen por fenómenos naturales, como volcanes, son estudiados y en ellos se basa todo el conocimiento químico directo. En algunos casos la evidencia obtenida de varias fuentes coincide de tal manera que no es aventurada la proposición de algunas hipótesis. Por ejemplo podemos citar a la tectónica de placas como una teoría que vino a explicar fenómenos observados aisladamente dentro de un sólo marco de referencia. Así los volcanes y los temblores se estudian en ese contexto regional. La composición de las rocas contiene información sobre la fuente y el proceso que las formaron.
En las ciencias biológicas ha sido posible demostrar que ciertas especies de plantas y animales han desaparecido y que en forma natural existe una evolución. Por condiciones especiales geológicas y de clima, algunas especies vivieron durante ciertos periodos de tiempo geológico dando lugar a posteriores especies venidas por evolución. Así es posible identificar estos tiempos geológicos con los restos de especies que vivieron en esa época. Los nombres de las épocas y edades geológicas se basan en muchos casos en el tipo y nombre de las especies que las caracterizan.
Existe, sin embargo, un problema en esta forma de clasificar las edades. Sólo el tiempo relativo puede ser medido, así puede ser ordenada una era geológica con respecto a otra usando el grado de evolución de las especies que vivieron entonces. Pero la magnitud —en años— del tiempo transcurrido no puede ser cuantificada. Para lograr esto, es necesario hacerlo indirectamente
Algunos elementos tienen isótopos radiactivos naturales. Esto significa que sus núcleos se descomponen por decaimiento radiactivo sin que haya habido alteración externa alguna. La forma de decaimiento, incluyendo la velocidad de descomposición, es independiente del medio físico y químico en el que el elemento se encuentra. Así, por ejemplo, el decaimiento de los átomos del uranio-238 que constituyan un mineral que se encuentre a 1 000 km de profundidad será, igual al decaimiento de otros átomos de uranio-238 que se encuentren formando una sal u óxido en el laboratorio a presión atmosférica.
Esta independencia del decaimiento de las condiciones en las que se encuentra el elemento permite introducir el factor tiempo en el estudio de los fenómenos geológicos. Estadísticamente puede construirse una relación uniforme y constante entre la actividad de los elementos radiactivos y su abundancia. La constante dependerá sólo del elemento en cuestión y será diferente para cada elemento. Por esta razón pueden tener mediciones independientes de un mismo fenómeno geológico utilizando los mismos materiales y sus diversos compuestos. Como ejemplo podemos mencionar que la fecha de cristalización de una roca puede ser determinada utilizando el decaimiento de potasio-40, e independientemente por el decaimiento de rubidio-87.
El conocimiento de la composición química de los materiales geológicos nos permite entender el origen y la evolución de nuestro planeta y de nuestro Sistema Solar. Para conocer la composición se utilizan diversos métodos de análisis basados en las propiedades físicas y químicas de los elementos en los distintos materiales geológicos que podemos disponer. Las relaciones entre las concentraciones de los elementos son usadas para elaborar los modelos que permitan explicar las observaciones. A final de cuentas todos los modelos teóricos sobre el nacimiento y el desarrollo de la Tierra deben tener alguna confirmación con observaciones y mediciones realizadas experimentalmente.