Las edades de la Tierra: ¿cómo podemos datar el pasado?

Hace 2.58 millones de años (Ma) apareció el género Homo en la Tierra y con ello, junto a otros criterios, dio comienzo el periodo en el que vivimos: el Cuaternario. Hace 66 Ma un bólido de unos 10 km de diámetro cayó en la Península de Yucatán (México) y causó una de las mayores extinciones masivas que ha vivido el planeta, cuya historia se remonta a hace 4600 Ma. ¿Pero cómo sabemos todo esto? ¿Cómo es posible que conozcamos estas edades con tanta exactitud si nadie pudo estar presente para anotarlas? La clave de todo la tiene la geología como disciplina que estudia el pasado del planeta. A veces es el registro geológico el que nos da esta información, pero otras veces la encontramos en el interior de minerales que atesoran un valioso reloj nuclear. En esta entrada vamos a abordar la datación radiométrica, la forma que tenemos para poder datar el pasado.

Durante mucho tiempo la extinción de los dinosaurios fue tema de un intenso debate que todavía hoy en día no está del todo cerrado. Su datación en 66 Ma, junto con otros grandes eventos geológicos de la historia del planeta, fue gracias al uso de radioisótopos y hoy en día nos sirve para marcar el límite entre el Mesozoico y el Cenozoico (fuente: factoflife.net).

Radiactividad, un descubrimiento, no un invento

Aunque todos hemos oído hablar de ella, la radiactividad es un fenómeno físico natural por lo general bastante desconocido por la sociedad. Fue descubierta por Henri Becquerel en 1896 y muy estudiada posteriormente por el matrimonio  Curie (Marie y Pierre), gracias a lo cual los tres fueron galardonados con el Premio Nobel de Física en 1903. Pero el hecho de que algo sea natural no significa que vaya a ser inofensivo, ni tampoco algo hecho por el hombre es necesariamente nocivo, y es que Marie Curie acabó falleciendo a los 66 años de edad como consecuencia de las altas dosis de radiactividad a las que había estado expuesta en sus investigaciones. Eso sí, después de hacer historia en múltiples campos y de convertirse, entre otras cosas, en la primera persona en ganar dos premios nobel en distintas especialidades (también ganó el Premio Nobel de Química en 1911 por descubrir el polonio y el radio).

Marie Curie fue la primera persona en ganar dos Nobel en diferentes campos y toda su carrera la enfocó al estudio de la radiactividad (imagen tomada de novavarna.net).

Hoy en día sabemos muchas cosas de la radiactividad, no solo que es peligrosa sino también cómo emplearla para obtener energía (energía nuclear), en medicina para salvar vidas o para poder datar prácticamente cualquier cosa. Y es que los isótopos radiactivos (radioisótopos) son inestables porque tienen «demasiada» energía, que liberan en forma de radiación para alcanzar la estabilidad y convertirse con el tiempo en algún isótopo estable. Esta liberación de energía se produce a un ritmo constante que depende de cada radioisótopo, y eso es la clave de la datación radiométrica. El periodo de semidesintegración es el tiempo que tarda un radioisótopo en ver su número inicial reducido a la mitad, tal y como descubrió Ernest Rutherford en 1907. Este descubrimiento tuvo un gran impacto en el mundo científico, hasta el punto de que le valió al físico y químico neozelandés el Premio Nobel de Química en 1908. Y es que, gracias a esta peculiaridad de la desintegración radiactiva hoy sabemos que, conociendo el periodo de semidesintegración de un radioisótopo y la concentración inicial y final del mismo, podremos saber el tiempo que lleva desintegrándose. Es así como el descubrimiento de Rutherford nos dio un execlente reloj nuclear muy preciso y realmente valioso.

La emisión de partículas, ya sean partículas alfa (izquierda) o partículas beta (derecha), es la forma de radiación menos energética y por tanto también la menos penetrativa que conocemos. Una simple hoja de papel de aluminio basta para evitar que estas partículas lleguen a nosotros (imagen modificada a partir de wikipedia.org).

La datación radiométrica, la clave del reloj nuclear

En la actualidad conocemos más de 3000 radioisótopos y solo 254 isótopos estables (datos del Organismo Internacional de Energía Atómica, IAEA). Por tanto, y a pesar de que la materia está constituida principalmente por isótopos estables, la inmensa mayoría de los isótopos que existen en el universo son radioisótopos. Pero no todos se usan para datación, ya que o son muy escasos o tienen tiempos de vida demasiado cortos, o sencillamente no conocemos su concentración inicial. A pesar de que estamos hablando de una herramienta magnífica, la realidad de la datación radiométrica es que solo podemos emplearla con un número muy reducido de radioisótopos. A continuación explicamos brevemente tres de las técnicas de datación radiométrica más utilizadas en la actualidad: el famoso carbono-14, el potasio-argón y el uranio-plomo, dejando de lado la datación mediante rubidio-estroncio, que aunque muy importante, el fundamento teórico en el que se basa es demasiado complejo para esta entrada. Y como dato curioso de esta técnica que no veremos, el ⁸⁷Rb tiene un periodo de semidesintegración casi 4 veces la vida de universo (47 000 Ma).

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).

El isótopo radiactivo más conocido con diferencia es el Carbono-14 (¹⁴C). Se trata del radioisótopo más abundante del carbono, el elemento químico principal de la materia orgánica y por tanto muy importante a la hora de datar restos orgánicos. El fundamento de la datación por ¹⁴C reside en el hecho de que este isótopo se encuentra en la naturaleza en una concentración más o menos constante que empieza a decaer en el momento en el que un ser vivo muere. Por tanto, conociendo esa concentración inicial y la velocidad a la que se desintegra podemos conocer cuánto tiempo ha transcurrido desde la muerte del organismo analizado. Pero esta técnica, a pesar de ser la más conocida y de valerle el Premio Nobel de Química en 1960 a William Libby, es también una de las ténicas de datación radiométrica más problemáticas debido a que tiene dos cuestiones en su contra. La primera es que el ¹⁴C es un isótopo cosmogénico, formado a partir de la interacción de los rayos cósmicos con el Nitrógeno-14 (¹⁴N) de la atmósfera, por lo que su concentración en realidad no es constante, sino que va a depender de la intensidad de esos rayos cósmicos y del campo geomagnético, que nos protege en todo momento de ellos. La segunda cuestión es que el periodo de semidesintegración del ¹⁴C es de tan solo 5730 años, lo que impida que podamos usarlo con fiabilidad en restos de más de 70 000 años. Aun así es una técnica muy empleada en arqueología.

El ¹⁴C es un radioisótopo cosmogénco formado en la atmósfera a partir de la interacción de los rayos cósmicos que llegan a ella con el ¹⁴N que contiene (fuente: antonioluis.pozuelo.org).

La datación mediante la técnica del potasio-argón (⁴⁰K/⁴⁰Ar) es un método de datación radiométrica muy empleado por utilizar como base la desintegración del radioisótopo más abundante de planeta: el Potasio-40 (⁴⁰K). En este caso se parte de la idea de que todo el ⁴⁰Ar del planeta procede de la desintengración del potasio, que tiene un periodo de semidesintegración de 1248 Ma. Por tanto, si se analiza el contenido de argón en un mineral concreto se puede conocer de cuánta cantidad de potasio procede y con ello el tiempo que ha transcurrido desde la formación de ese mineral. La técnica del ⁴⁰K/⁴⁰Ar es muy empleada en rocas volcánicas, pero también se ha usado en otro tipo de rocas, por lo general en minerales como micas (biotita y moscovita), hornblenda, nefelina y plagioclasa. Eso sí, siempre es necesario tener en cuenta que el argón es un gas, por lo que si una muestra ha sufrido un cierto calentamiento podría invalidar la datación, ya que no nos estaría indicando la edad de formación del mineral sino el momento de ese calentamiento. Por ello mismo también se aplica para datar procesos metamórficos.

Esquema sobre el funcionamiento de la datación a partir de ⁴⁰K/⁴⁰Ar, una técnica especialmente empleada en rocas de origen volcánico (fuente: geovirtual2.com).

La datación mediante uranio-plomo (U-Pb) es sin duda una de las técnicas de datación radiométrica más exitosas que existen hoy en día, motivo por el que es también una de las más empleadas. El uranio es un elemento químico que no tiene isótopos estables, y sus dos isótopos principales (²³⁸U y ²³⁵U) se desintegran a plomo, a dos isótopos diferentes del mismo (²⁰⁶Pb y ²⁰⁷Pb respectivamente). Por tanto, si estudiamos la relación entre uranio y plomo, y lo ajustamos para eliminar el plomo que ya estaba en la muestra de manera original (plomo ordinario), podemos conocer la edad de prácticamente cualquier roca que contenga algún mineral de uranio, como puede ser la monacita o, más comúnmente, el circón. La técnica de la datación mediante uranio-plomo es muy exitosa debido a que emplea dos series de desintegración en lugar de una por lo que podríamos decir que estamos hablando de dos técnicas en una cuyos valores se pueden cruzar para confirmar los datos y así evitar errores. En cuanto al rango de su uso, es una técnica que sirve para prácticamente cualquier edad geológica, ya que el periodo de semidesintegración del ²³⁸U es de 4470 Ma (casi tanto como la Tierra), mientras que el periodo de semidesintegración del ²³⁵U es de 704 Ma. La técnica del U-Pb es la que ha permitido que podamos conocer la edad del planeta, gracias al análisis en circones que han arrojado unos valores de 4370 Ma.

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).

La edad absoluta vs la edad relativa

Las técnicas de datación radiométrica son muy empleadas para saber la edad de una muestra concreta o un suceso geológico determinado, y aunque siempre hablemos de valores absolutos no debemos olvidar que todas tienen un rango de error. En cualquier caso, la ventaja de usarlas en geocronología, qe es la rama de la geología que estudia la datación, es precisamente que nos da un valor concreto y objetivo. Esto contrasta con otras técnicas que empleamos en geología para conocer la edad relativa, es decir, para saber si un suceso o una roca/mineral es anterior a otra o no. Esto lo hacemos a partir de una serie de principios geológicos que nos sirven para determinar la sucesión de eventos y de esa manera saber qué ocurrió antes y qué vino después. Pero ese es otro asunto del que ya hablaremos en otra entrada. Hoy era el momento de hablar de radioisótopos, los relojes más precisos de la naturaleza.