Los indestructibles circones

¿Cómo podemos saber la edad del planeta? Esa es sin duda una de las grandes preguntas que nos podemos plantear, y con razón, cuando un geólogo nos responde con toda seguridad que, como ya vimos en la entrada dedicada al tiempo geológico, la Tierra tiene 4600 millones de años (Ma). Ahora es fácil dar ese dato, pero durante siglos los geólogos nos rompimos la cabeza intentando encontrar la respuesta, tratando de averiguar realmente cuál era la edad del planeta. Hasta que la encontramos en un pequeño mineral que resultó ser un extraordinario y preciso reloj del tiempo geológico, en un mineral tan pequeño que incluso al microscopio nos suele costar verlo. Se trata del circón, del que hablaremos en esta entrada, de un nivel un poquito mayor al que estamos acostumbrados en el blog.

circon_microscopio
Los circones suelen ser extremadamente pequeños. El de esta imagen tiene unas 100 micras de longitud, el grosor de un cabello humano (autores de la fotografía: Schaltegger, U.; Wotzlaw, J.F.; Martini, R. & Martignier, A.; obtenida de technology.org).

Circón, no circonita

El circón es un mineral que se encuentra dentro del grupo de los silicatos, y más concretamente dentro de los denominados nesosilicatos, minerales formados por tetraedros aislados del anión silicato (imagen de abajo) que se unen mediante cationes, por lo general divalentes (valencia 2), aunque también lo pueden hacer con aniones tetravalentes (valencia 4), que presentan una coordinación octaédrica. Sé que puede parecer complicada esta descripción, pero no se me ocurre otra forma de describir la estructura cristalina de estos minerales que, precisamente por ella, son duros (difíciles de rayar). Dentro de los nesosilicatos tenemos minerales de gran importancia, algunos con cierto valor como gemas, como son el olivino (nesosilicato de hierro y magnesio), los granates (que aparecen en El Hoyazo de Almería) o el que nos interesa en esta entrada, el circón, que es el nesosilicato de circonio (Zr).

nesosilicato_tetraedro
Los nesosilicatos son una clase de silicatos formados por tetraedros aislados de SiO4 enlazados unos con otros mediante cationes divalentes o tetravalentes. En el caso de los circones estos cationes son del elemento circonio (imagen propia).

El circón es un mineral con brillo vítreo y de color variado que va del pardo (o simplemente incoloro) al gris, verde o incluso rojo, siempre según las impurezas que presente y que son las que le dan color. Cristaliza en el Sistema Tetragonal y tiene una alta dureza (7’5 en la escala de Mohs) por lo que es más duro que el cuarzo y evidentemente mucho más que el propio acero, a los que por tanto va a rayar. También es muy resistente a la erosión, lo que sumado a la alta densidad que posee (3’9-4’8 g/cm3), hace que los cristales de este mineral se queden acumulados con facilidad en sedimentos transportados. Esto mismo les ocurre por ejemplo al oro, a las esmeraldas o a los diamantes, también resistentes y densos, dando lo que conocemos como depósitos de tipo placer. Pero los circones no sólo los encontramos en sedimentos transportados, ya que también es muy común encontrar circones en rocas ígneas y metamórficas, por lo general como inclusiones dentro de otros minerales que se formaron con posterioridad y que los englobaron.

circones
Izquierda: Cristal de circón visto bajo el microscopio petrográfico (fuente: commons.wikimedia.org). Derecha: Cristal de circón visto a simple vista (autor: Ángel Luis Esteban).

El circón es un mineral de gran importancia en geología pero que no obstante no tiene muchas aplicaciones en la vida cotidiana, a veces como gema, pero por lo general es normal que la gente desconozca su existencia. Por el contrario sí solemos conocer un producto que obtenemos a partir de él y que muchas veces confundimos con los circones por lo parecidos que son sus nombres. La circonita es un producto sintético (técnicamente no lo podemos llamar mineral) que no es un silicato de circonio sino un óxido de circonio, obtenido en laboratorio a partir del circonio que hemos extraído previamente de circones (aunque existe una variedad natural, esta vez sí un mineral, que en realidad no se le parece mucho y que recibe el nombre de baddeleyita). La circonita es una de las sustancias más reflectivas que se conocen, y es gracias a esa propiedad la que lo ha llevado a ser muy empleado en joyería como sustituto barato del diamante, y aunque también es bastante dura (8 en la escala de Mohs) no llega al valor que alcanza el diamante (10, el máximo en la escala). Es por todo ello por lo que a la circonita se la suele llamar comúnmente como el “falso diamante” o el “diamante de los pobres”, pero que no debemos confundir con el mineral de esta entrada, el circón.

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La circonita (izquierda, fuente desconocida) es el nombre que recibe un producto artificial que suele emplearse como sustituto barato de los diamantes en joyería, aunque en realidad poco o nada tienen que ver.  Su varieda natural recibe el nombre de baddeleyita (derecha, wikipedia.org).

El reloj nuclear natural

Los circones son útiles en geología porque en su interior tenemos un reloj natural muy preciso que es la clave de que sepamos con tanta exactitud la edad del planeta. Pero para explicar cómo funciona ese reloj debemos recordar que la radiactividad es un fenómeno natural por el cuál los isótopos inestables pasan a isótopos estables mediante la emisión de energía. La desintegración radiactiva de un radioisótopo concreto se produce a una velocidad constante que es única y que recibe el nombre de periodo de semidesintegración, de manera que si conocemos ese valor y la concentración inicial del radioisótopo (o la final de su “hijo”), podremos datar de una forma objetiva cualquier cosa de la naturaleza. Ese es el mecanismo que hay detrás de cualquier técnica de datación por radioisótopos, como por ejemplo es la del Carbono-14 (14C). Este isótopo de carbono lo encontramos en la naturaleza en constante equilibrio y en una concentración inicial conocida que empezará a decaer en el momento en el que el organismo muera. De esta manera, dado que conocemos esa concentración inicial y la velocidad de decaimiento del 14C, podemos saber la edad a la que murió un organismo o cuánto hace que se tejió una tela. Es así como sabemos por ejemplo que la Sábana Santa o Sudario de Turín fue tejida entre 1262 y 1384, por lo que se trataría de una reliquia sagrada falsa originaria de la Edad Media.

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El famoso Sudario de Turín, que podemos ver en la Catedral de San  Juan Bautista, en Turín (Italia), no pudo ser la que cubrió el cuerpo de Jesucristo porque fue tejida entre 1262 y 1384. En esta imagen comparamos la reliquia a luz natural (arriba) con su negativo (abajo).

El 14C es sin duda uno de los radioisótopos más famoso precisamente por su uso en datación radiactiva, pero no es precisamente la mejor técnica, y menos cuando queremos datar materiales muy antiguos. Y es que ni la concentración inicial es siempre la misma (es un isótopo cosmogénico) ni tiene un periodo de semidesintegración muy grande (5730 años), por lo que no podemos emplearlo si lo que queremos es datar las rocas más antiguas de la Tierra para conocer la edad de nuestro planeta. Para ello debemos emplear otros isótopos radiactivos de mayor periodo de semidesintegración, y en ese aspecto los más empleados en geología son el 40K (1248 Ma), que es además el radioisótopo más abundante del planeta, el 232Th (14 000 Ma), el 235U (704 Ma) y el 2385U (447 000 Ma). Y es aquí donde encontramos la importancia del circón dentro de la geocronología, porque dado que el elemento circonio tiene valencia 4 y un radio iónico muy grande, son pocos los elementos químicos que lo pueden sustituir en la red cristalizan del mineral, destacando de entre los que sí lo pueden hacer algunos que acabamos de ver, en especial el torio (Th) y el uranio (U).

De los más de 3000 radioisótopos que conocemos, solo unos pocos son empleados en datación radiométrica. En esta tabla se muestran las cuatro técnicas más utilizadas, indicando los materiales en los que se aplica, el rango efectivo y el periodo de semidesintegración del radioisótopo en cuestión (créditos: ©Waiving Entropy).

Los circones en las rocas

El circón es un mineral que se produce directamente a partir de un magma, pero podríamos decir que una vez formados los circones ya no se pueden destruir. Gracias a esta peculiaridad la roca original puede erosionarse pero los circones formados permanecerán en los sedimentos resultantes, aunque posiblemente algo redondeados. Y si ese sedimento litifica y se transforma en una roca sedimentaria, dentro de ella tendremos todavía esos mismos circones. Lo mismo ocurre si la roca acaba experimentando un proceso de metamorfismo, e incluso si las condiciones se vuelven más extremas y acaban llevándola a sobrepasar su línea de solidus, a partir de la cuál empezará a fundir. En ese caso tendremos un magma en cuyo interior seguiremos teniendo… ¡¡esos mismos circones!!, que seguirán sin ser destruidos y que en ocasiones experimentan un proceso de recrecimiento en capas.

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Mediante la datación por U-Pb hemos podido datar los circones más antiguos en 4370 Ma, lo que indicaría que estos se formaron en un momento muy temprano de la historia del planeta (imagen obtenida de La Vanguardia).

Los circones los podemos considerar como minerales prácticamente indestructibles que nos van a dar información más antigua que la de la roca en la que los encontramos. Y buena prueba de ello es la presencia de circones en biotitas, un mineral que bajo el microscopio petrográfico aparece con colores pardo-rojizos. Esta variedad de mica, muy común en granitos, suele tener en su interior como una especie de manchitas que normalmente forman círculos o elipses. Esas manchitas reciben el nombre de halos metamícticos y están formadas por la radiación que emiten los elementos radiactivos que contienen los cristales de circón que hay en el interior de la biotita, tan pequeños que muchas veces solos los identificamos por estas manchas. ¿Y por qué están estos cristales en el interior de una biotita? Porque cuando este granito empezó a enfriarse y las biotitas empezaron a cristalizar, dejaron en u interior los cristales de circón que ya estaban en el magma, más antiguos que las biotitas y que acabaron como inclusiones dentro de ellas.

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Imagen bajo el microscopio petrográfico del granito de la Presa de Aldeadávila, a luz natural (izquierda) y con nícoles cruzados (derecha). El mineral pardo-rojizo que se puede ver es una biotita, y las manchas negras que hay en su interior son los halos metamícticos que se producen alrededor de los circones que hay en su interior, muy comunes en biotitas (imagen propia).

La edad del planeta a examen

Ya sabemos qué son los circones y cuáles son sus características, incluso hemos visto en qué consiste la datación por radioisótopos, pero… ¿Cómo sabemos la edad del planeta y cuál es esa edad? De manera muy resumida podemos decir que mediante técnicas avanzadas podemos realizar análisis puntuales de la composición química de una parte concreta del cristal que queramos. Si en ese análisis lo que considramos es un isótopo radiactivo concreto, entonces podremos conocer la edad a la que se formó ese cristal, más bien esa parte. Pero es muy importante saber qué mineral estamos analizando, ya que en una roca no todos los minerales se formaron a la vez. Por ello, si queremos datar una roca debemos estar seguros de que el mineral que analicemos se formó con ella y no ha venido heredado de una roca anterior, que ya hemos visto que con los circones es algo bastante habitual. Pero este aparente problema deja de serlo cuando nuestro objetivo no es tanto conocer la edad de la roca sino la edad del planeta. Para ese caso podremos buscar el circón más antiguo, y dado que no debió formarse mucho después del planeta, su edad debería servirnos para hacernos una idea aproximada de la de la Tierra. Y en 2014 ese circón más antiguo fue analizado en unas rocas de Australia y arrojó una edad 4374 Ma, todo un record si tenemo en cuenta que estimamos la edad del planeta en 4500-4600 Ma. Con este circón nos remontamos por tanto al Hádico, uno de los eones de la historia geológica, cuando la superficie ya tenía una corteza sólida y la Luna ya se había formado (ver El evento Theia). Ese es el momento en el que nuestro anciano circón debió nacer.

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Ilustración artística del Evento Theia, la colisión entre la proto-Tierra y el proto-planeta Theia que causó la formación de la Luna (NASA/JPL-Caltech ).

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