IV.LA COMPOSICI�N Y EDAD DE LA TIERRA
PARA poder entender la relaci�n entre el ser humano y su medio
es necesario conocer los procesos que act�an en la Tierra. Por otro lado,
estos conocimientos tambi�n son �tiles 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. Tambi�n son necesarios estos
conocimientos para determinar los efectos que las actividades humanas causan
sobre el medio y as� poder evitar muchas de las causas de la contaminaci�n.
Los procesos f�sicos y qu�micos de la Tierra son muy variados y ocurren en muy diversas escalas de tiempo. Algunos ocurren con una duraci�n de poco tiempo (segundos-d�as) de tal manera que son perceptibles por el ser humano (tormentas, temblores, explosiones volc�nicas, 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 erupci�n de un volc�n, est�n �ntimamente ligadas con fen�menos de larga duraci�n. Aunque estos fen�menos 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 energ�a como del momento en que dio principio. Un aspecto que permite acercarnos a estos dos conocimientos es la composici�n de los materiales geol�gicos. Puesto que en la composici�n se tiene una gran informaci�n f�sica y qu�mica, �sta puede ser utilizada para proponer modelos que expliquen la generaci�n y evoluci�n de ese material geol�gico.
El origen de nuestro planeta est� ligado al origen del Sistema Solar. Por lo tanto, no pueden separarse las teor�as de formaci�n del Sistema Solar de los conocimientos sobre la composici�n de los cuerpos que lo componen. La mayor parte de los conocimientos sobre la composici�n qu�mica de otros planetas y cuerpos del Sistema Solar se obtienen indirectamente. S�lo casos muy aislados se tienen en donde se han realizado mediciones directas de la abundancia de alg�n elemento en otro planeta. Por ejemplo, ya se han explorado varios elementos en rocas tra�das de la Luna.
Afortunadamente ha sido posible recuperar algunas muestras de objetos que han ca�do a nuestro planeta. Se ha sugerido que la mayor�a de estos objetos provienen de una regi�n en el Sistema Solar en donde se encuentran los asteroides. Estos cuerpos de tama�os variados se encuentran en la �rbita que te�ricamente deber�a ser ocupada por un planeta. De aqu� se generan dos clases de teor�as que tratan de explicar la existencia de los asteroides; por un lado, se propone que originalmente un planeta existi� all� y fue desintegrado por la colisi�n con otro cuerpo; por otro lado, se propone que los asteroides son el material de un planeta que no lleg� a formarse. Este material representa al que intervino en la integraci�n 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 composici�n 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 est� constituido solamente por 14 elementos que son: Si, Ti, Al, Fe, Mn, Mg, Ca, Na, K, P, C, O, H, N. �stos son llamados elementos mayores. Los otros elementos naturales (m�s de 70) son tan escasos que pr�cticamente no intervienen en la caracterizaci�n de los materiales. Éstos son llamados elementos traza; esto es: las caracter�sticas como mineralizaci�n, densidad, etc�tera, son principalmente determinadas por la abundancia de los elementos mayores. De esta manera se puede definir una composici�n tipo para rocas y minerales; as� por ejemplo las rocas riolitas contienen aproximadamente 70% de SiO2 y de 4 a 5% de K2O mientras que las rocas bas�lticas tienen aproximadamente 45-50% de Si02 y ~1% de K20. As� se puede ir numerando una a una las concentraciones t�picas para cada tipo de roca. Sin embargo, el argumento inverso no es aplicable pues un granito (roca intrusiva) tiene una composici�n (~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 cristaliz� enterrada (intrusiva), la otra fue emplazada en la superficie (extrusiva).
Figura 21.
Aunque los elementos traza no determinan las caracter�sticas que definen a las rocas y minerales, s� contienen informaci�n muy valiosa para el entendimiento de los procesos fisicoqu�micos ocurridos. Esta informaci�n 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 caracter�sticas f�sicas y qu�micas de cada elemento traza permitir�n obtener cierta informaci�n del proceso; as� algunos elementos pueden ser usados para estudiar temperaturas, presi�n, tiempo y otros par�metros fisicoqu�micos.
M�TODOS EXPERIMENTALES DE AN�LISIS
Para poder entender las bases que determinan la abundancia de un elemento es necesario saber c�mo est� constituido. Los elementos son conjuntos de �tomos cuyo comportamiento qu�mico es similar. Los �tomos, como peque��simos sistemas planetarios, est�n formados por un n�cleo "central" y electrones que se mueven en �rbitas a diferentes distancias de n�cleo. Los electrones son part�culas con carga el�ctrica negativa, el n�cleo est� formado por part�culas el�ctricas positivas y part�culas sin carga el�ctrica.
Figura 22.
El comportamiento qu�mico est� relacionado con la distribuci�n de los electrones en las �ltimas —m�s externas— capas. Por otro lado, el comportamiento f�sico esta relacionado a sus propiedades f�sicas tales como tama�o y masa. Cuando un �tomo es perturbado puede cambiar su nivel de energ�a moviendo uno o varios electrones de lugar. Tambi�n existen �tomos que teniendo la misma configuraci�n electr�nica son diferentes en la cantidad de part�culas en el n�cleo, a tales �tomos se les da el nombre de is�topos. Estos �tomos is�topos tendr�n por lo tanto el mismo comportamiento qu�mico (esto es, que son del mismo elemento) pero sus propiedades f�sicas como su masa son diferentes. Algunos �tomos tienen una configuraci�n nuclear tal que son inestables y decaen emitiendo radiaci�n. �stos son llamados "radiactivos" y son estudiados utilizando la radiaci�n que emiten.
Las t�cnicas anal�ticas para determinar la composici�n qu�mica de una roca o mineral son tan variadas como las propiedades mismas de los elementos. Algunas t�cnicas se basan en la facilidad que ciertos elementos tienen para combinarse mostrando ciertas preferencias con el resto. Otras t�cnicas se basan en la distribuci�n de los electrones en los �tomos y en las emisiones caracter�sticas de energ�a implicadas en el cambio de posici�n de los electrones. Algunas m�s, usan las propiedades f�sicas caracter�sticas de los �tomos para cuantificarlos, as� un espectr�metro de masa se basa en la medici�n de la relaci�n entre masa y carga de un �tomo cargado el�ctricamente.
Antes de poder analizar cualquier material es necesario obtenerlo por medio de un muestreo planeado. En la colecci�n misma del objeto por estudiar se obtiene informaci�n, tal como su posici�n geogr�fica, que ser� utilizada posteriormente en la interpretaci�n de los resultados anal�ticos. Los m�todos de colecci�n de muestras son determinados por las caracter�sticas de la localizaci�n de la muestra; as� se tienen perforadoras de roca, submarinos, dragas de barco, botellas, martillos y marros, etc., como instrumentos de muestreo. S�lo una caracter�stica com�n tienen todos los m�todos de muestreo, y es que el trabajo se desarrolla en el campo o en el mar, fuera de una habitaci�n cerrada.
Aunque todav�a no se tiene una idea �nica sobre la formaci�n de la Tierra, puede decirse que el nacimiento de nuestro planeta ocurre en el momento que su solidificaci�n produce la reuni�n de la mayor parte del material que a�n la constituye. Sabemos que algo de material ha sido capturado posteriormente, como se dijo con anterioridad, meteoritos han ca�do en la Tierra, pero su cantidad en relaci�n a la masa del planeta es pr�cticamente despreciable. Lo mismo puede decirse de los gases ligeros que como el helio han sido perdidos hacia el espacio, en algunas ocasiones constituyendo una fracci�n de la parte m�s exterior de la atm�sfera. Cabe mencionar que en los sesenta, los sat�lites descubrieron una capa atmosf�rica tenue que contiene helio.
El nivel de solidificaci�n de nuestro planeta var�a con la profundidad. Por
medio de los estudios de las ondas s�smicas*![[Nota *]](../imgs/mcommnt.gif){kind=small}
se
ha propuesto una configuraci�n de la Tierra como la de esferas conc�ntricas
definidas por su estado de solidificaci�n y composici�n. As� se propuso que
el interior de la Tierra est� formado por un n�cleo s�lido de composici�n
met�lica fierro-n�quel, rodeado por una capa de alta viscosidad. M�s all�
del n�cleo est� una esfera caracterizada por minerales sil�ceos llamada "manto",
sobre la cual se encuentra una capa rocosa m�s o menos r�gida relativamente
delgada que contiene a la corteza terrestre incluyendo a los suelos marinos
y oce�nicos. Esta capa definida con base en la transmisi�n de las ondas s�smicas,
recibe el nombre de litosfera.
Para establecer, estas hip�tesis sobre la configuraci�n, se hace uso de m�todos 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 s�lo ha sido posible perforar unos cuantos kil�metros. S�lo materiales que salen por fen�menos naturales, como volcanes, son estudiados y en ellos se basa todo el conocimiento qu�mico directo. En algunos casos la evidencia obtenida de varias fuentes coincide de tal manera que no es aventurada la proposici�n de algunas hip�tesis. Por ejemplo podemos citar a la tect�nica de placas como una teor�a que vino a explicar fen�menos observados aisladamente dentro de un s�lo marco de referencia. As� los volcanes y los temblores se estudian en ese contexto regional. La composici�n de las rocas contiene informaci�n sobre la fuente y el proceso que las formaron.
En las ciencias biol�gicas ha sido posible demostrar que ciertas especies de plantas y animales han desaparecido y que en forma natural existe una evoluci�n. Por condiciones especiales geol�gicas y de clima, algunas especies vivieron durante ciertos periodos de tiempo geol�gico dando lugar a posteriores especies venidas por evoluci�n. As� es posible identificar estos tiempos geol�gicos con los restos de especies que vivieron en esa �poca. Los nombres de las �pocas y edades geol�gicas 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. S�lo el tiempo relativo puede ser medido, as� puede ser ordenada una era geol�gica con respecto a otra usando el grado de evoluci�n de las especies que vivieron entonces. Pero la magnitud —en a�os— del tiempo transcurrido no puede ser cuantificada. Para lograr esto, es necesario hacerlo indirectamente
Algunos elementos tienen is�topos radiactivos naturales. Esto significa que sus n�cleos se descomponen por decaimiento radiactivo sin que haya habido alteraci�n externa alguna. La forma de decaimiento, incluyendo la velocidad de descomposici�n, es independiente del medio f�sico y qu�mico en el que el elemento se encuentra. As�, por ejemplo, el decaimiento de los �tomos del uranio-238 que constituyan un mineral que se encuentre a 1 000 km de profundidad ser�, igual al decaimiento de otros �tomos de uranio-238 que se encuentren formando una sal u �xido en el laboratorio a presi�n atmosf�rica.
Esta independencia del decaimiento de las condiciones en las que se encuentra el elemento permite introducir el factor tiempo en el estudio de los fen�menos geol�gicos. Estad�sticamente puede construirse una relaci�n uniforme y constante entre la actividad de los elementos radiactivos y su abundancia. La constante depender� s�lo del elemento en cuesti�n y ser� diferente para cada elemento. Por esta raz�n pueden tener mediciones independientes de un mismo fen�meno geol�gico utilizando los mismos materiales y sus diversos compuestos. Como ejemplo podemos mencionar que la fecha de cristalizaci�n de una roca puede ser determinada utilizando el decaimiento de potasio-40, e independientemente por el decaimiento de rubidio-87.
El conocimiento de la composici�n qu�mica de los materiales geol�gicos nos permite entender el origen y la evoluci�n de nuestro planeta y de nuestro Sistema Solar. Para conocer la composici�n se utilizan diversos m�todos de an�lisis basados en las propiedades f�sicas y qu�micas de los elementos en los distintos materiales geol�gicos 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 te�ricos sobre el nacimiento y el desarrollo de la Tierra deben tener alguna confirmaci�n con observaciones y mediciones realizadas experimentalmente.
