Tiempo Geologico: Mediciones de la Edad de la Tierra.

C. Darwin

Hablamos de tiempo geológico para dneominar la estimación de vida del planeta Tierra. Hoy en día se consideran unos 4550 millones de años. A esta escala, la unidad de tiempo es el millón de años. Debemos tener en cuenta que, al final, el tiempo es tiempo físico, ha sido igual ahora que ha sido siempre.

Durante muchos siglos el concepto de eternidad estuvo presente. Pero al planeta se le estimaba un tiempo de vida muy corto. A finales del siglo XVIII James Hutton, estudiando rocas, se dio cuenta de que podía ver en ellas huellas de los procesos que estaban ocurriendo en ese momento. Había cantos rodados, como los que encontraba actualmente en los ríos. De ahí surgiría la teoría del uniformitarismo, según la cual en el pasado han sucedido procesos como los que hoy suceden. Y según se veían rocas más viejas, no se veían prespectivas de un principio.

Lord Kelvin.

Quien más popularizó estas ideas fue Lyell, a mediados del siglo XIX. Se les llamó teorías actualistas. Se buscó procesos medibles e irreversibles para intentar caulcular la edad de la Tierra: culación de sodio en el agua marina, espesor de sedimentos que hay en la Tierra, pérdida de calor de la Tierra… Sin embargo ninguno parecía funcionar.

El primero de los intentos se basa en suponer que el agua de los océanos era dulce y el sodio procede de los contintentes. Calculando el aporte anual de los ríos, se podía calcular cuándo esa agua estuvo dulce. Se obtenía una valor d eunos 90 millones de años. Sin embargo, en este proceso fallan varias cosas. Por un lado no se tuvo en cuenta el proceso inverso, es decir, la salida de sodio del océano en forma de rocas. De hecho, hay un ciclo geoquímico del sodio. Tampoco se tuvo en cuenta que la cantidad de tierras emergidas no fue siempre la misma (este era un dato que ellos desconocían).

El sistema de medir lel grosor de los sedimentos se basaba en medir cúanto aumentaban los sedimentos en una cuenca sedimentaria en un año, para después extrapolar a todo el grueso del sedimento. Se llegó a una cifra de entre 700 y 1400 millones de años. Pero el dato variaba mucho en función de los autores. Y es que no hay una velocidad fija de sedimentación.

Un método muy conocido para calcular la edad de la Tierra fue el de Knord-Kelvin, que calculó el tiempo que se iba enfriando el suelo. La pérdida de calor se creyó observar a partir de que, cuando se perfora un pozo, la temperatura aumenta aproximadamente un grado cada 33 metros (de media, ya que el valor no es uniforme). Knord y Kelvin pensaron que era debido a que el calor se escapaba del interior de la Tierra, estableciéndose un gradiente geotérmico.

Calculando desde que, en su origen, la Tierra estaría incandescente, obtuvo un valor de unos 100 millones de años. Este dato parecía irrefutable. Idearon también otro método basado en la irradiación del sol. Teniendo en cuenta que con una irradiación del 10% menor o mayor la vida no sería posible, calculó hacia atrás cuánto tiempo habría pasado desde que se originara la vida sobre la tierra. Y la cifra obtenida resultaba coherente con los 100 millones de años de vida del planeta que había estimado.

Estas cifras eran demasiado cortas para resultar compatibles con las teorías de la evolución de Darwin. Sin embargo, las cifras basadas en las teorías evolutivas resultaban subjetivas.

Layer intentó cuantificar la edad a partir de la propia teoría d ela evolución y calculó cuántos años harían falta que que se hiciera una renovación total de moluscos sobre los estratos. La cifra obtenida fue de unos 20 millones de años. Calculó cuántas rocas se habían renovado en el registro estratigráfico y obtuvo una cifra de unos 240 millones de años, una cifra bastante más alta que la de Kelvin. Sin embargo, su método de cálculo no era muy bueno.

En 1896 Berkely descubrió por casualidad que los átomos de radio generaban calor a su alrededor. Había átomos inestables que se desinteraban, liberando energía y transformándose en otros elementos (radioactividad). Existen bastantes tipos diferentes de elementos capaces de producir radioactividad. Hay átomos inestables que emiten partículas y se obtienen elementos estables después de cierto tiempo, en uno o varios pasos.

En el proceso, podemos encontrar partículas α (compuestas por dos neutrones y dos protones), partículas β (compuestas por un electrón) o partículas γ (radiación electromagnética de gran energía). La causa de que los átomos se desintegren está en la estructura del núcleo. Algunos átomos se desintegran muy rápidamente y otros más despacio.

Rutherford sugirió a Baltwood que la radioactividad podría permitir conocer la edad de los minerales con átomos radiactivos. Son los llamados elementos primordiales o elementos padres que, tras la desintegración, dan lugar a elementos hijos o radiogénicos.

 

Curva de desintegración de elementos radiactivos.

Podemos deducir que Nt = λN0. El valor λ de es propio para cada elemento. Hablamos de tiempos en los que los elementos se van desintegrando. Pero no tiene sentido hablar de tiempo de desintegración, ya que la curva se acercará al 0 en el infinito. Por eso no se mide el tiemo total de desintegración, son la vida media o tiempo de desintegración, es decir, el tiempo que tarde en desintegrarse la mitad de los átomos del compuesto radioactivo.

Por ejemplo, el U238 se desintegra en Pb206 con un tiempo de semidesintegración de 4510 millones de años. El U235 se desintegra en Pb207 con un tiempo de semidesintegración de 713 millones de años. El K40 se desintegra en Ar40 con un tiempo de semidesintegración de 1300 millones de años. El Rb87 se desintegra en Sr87 con un tiempo de semidesintegración de 47000 millones de años. Y el C14 se desintegra en N14 con un tiempo de semidesintegración de 5700 años.

La idea de que este fenómeno se puede usar para medir la edad de los minerales surge de forma sencilla. Si se pueden medir cuántos elementos radiogénicos hay y se conoce el tiempo de desintegración, se puede saber cuánto tiempo se lleva desintegrando el elemento padre.

Para ello deben cumplirse varias premisas. Por un lado, inicialmente no debería haber elementos hijos en la muestra y si los hubiese, debería haber alguna manera de estimar la cantidad del mismo a fin de poder discriminarlo. Por otro lado, desde que se formó el mineral, este debe haber estado en un sistema termodinámico cerrado, del que no haya habido entrada ni salida de elementos.

Este método comenzó a aplicarse a fin de estimar la edad de rocas. De una roca, buscamos sus minrales ocn elementos radioactivos. La edad que se obtiene no es la de la roca, ni mucho menos la de la tierra en si misma, sino la del mineral concreto.

Con este método se fueron buscando rocas antiguas. La más antigua encontrada fue datada en 3450 millones de años. Kelvin murió sin ser capaz de aceptar esta idea. Y curiosamente la radioactividad es la causante del aumento de temperatura en la Tierra que hace que los cálculos de Kelvin no sean válidos. De hecho, es la radioactividad de algunos minerales la que hace que, al hundirnos en la Tierra, la temperatura fuese aumentando.

Aun faltaba por saber, no obstante, la edad total o final de la Tierra. Se obtendría por el método del plomo. Se basa en considerar que el Sistema Solar funciona como un sistema cerrado desde su origen y que los distintos isótopos del plomo, inicialmente, estarían en una proporción determinada, que ha variado porque se le han añadido por formación  a partir de elementos radiogenéticos.

Debemos conocer, para que el método funcione, la relación inicial de plomo en los primeros estadíos del Sistema Solar. Para ello se pensó en algunos meteoritos que parecen ser restos de las primeras fases de formación del Sistema Solar. En ellos habría plomo sin derivar de elementos padres, todo es mplomo primordial (de no ser así, siempre quedaría algo de uranio). Para conocer la relación isotópica media, se tomaron muestras en el centro de cuencas oceáncias, donde llegan muy pocos sedimentos. Se comparó el plomo de los metoeritos con este plomo de las cuencas para saber como había variado. Y de este modo se obutvo una edad de unos 4550 millones de años.

Se hizo la misma comparación con una roca datada en 2700 millones de años y se obtuvo que el tiempo transcurrido desde el origen del planeta a la formación de la roca sería de unos 2000 millones de años (también comprobando la relación de plomo de la misma con la esperada según los meteoritos primigenios).

Como puede comprobarse, se obtienen cifras similares. Se hicieron pruebas con otros elementos y todos los resultados son similares.

Los estudios geológicos, las etapas geológicas, parten desde la roca más tantigua y la roca más antigua conocida tiene, como hemos dichos, unos 3700 millones de años. Existe una edad pregeológica, de unos 1000 millones de años, que no conocemos directamente, pues no se conocen rocas tan antiguas.

En cuanto al método del carbono 14, se usa para dataciones a más corto plazo. El C14 se forma en capas altas de la atmósfera por el bombardeo de los rayos cósmicos sobre el N14. Cuando las plantas toman carbono de la atmósfera, lo hacen en forma de CO2 cuyo carbono podrá ser bien C14 o bien C12 con una determinada proporción. Dado que las plantas no discriminan el CO2 por su composición isotópica, este será capturado con la misma concentración isotópica que en la atmósfera. Mientras la planta vive, la relación entre los dos  isótopos de carbono es estable, ya que el intercambio con la atmósfera es constante. Pero una vez la planta muere, este intercambio se detiene y el C14 empezará a desaparecer paulatinamente transformándose en N14.

El ritmo de desintegración se conoce. Cuando se aplica el método de carbono 14 a restos orgánicos antiguos se comprueba como la relación entre C14 y N14 es diferente a la relación de los mismos en la atmósfera actual. Así podremos concoer cuándo se murió el organismo.

No se puede palicar a restos orgánicos muy antiguos, ya que se desintegra muy deprisa. Por esta razón, es un método de datación poara uso arqueológico.

Otros sistema de datación es la Dentrocronología. Consiste en contar los anillos de crecimiento de los árboles. Si al lado del árbol vivo hay troncos más viejos, pueden hacerse encadenamientos sucesivos de edades. Se basa en que alguno de los anillos tenga alguna peculiaridad: un año seco que el anillo se estreche mucho, una erupción volcánica que queda marcada por las cenizas que tiñen el anillo de un color distinto o cosas por el estilo. Con este sistema se ha llegado a hacer dataciones con registros de hasta 9000 años de antigüedad.

Las secuencias más antiguas se hiceron en base de secuoyas y pinos americanos, que son muy longevos. En Europa se han realizado basándolos en robles, consiguiendo registros de unos 1000 años.

Con este método, se chequó el carbono 14 para contrastar si funciona o no. Se ha comprobado que el funcionamiento es especialmente bueno para los últimos 5000 años. A partir de 5000 años deben hacerse correcciones. Estas correcciones se deben a que la concentraciones de los distintos tipos de isótopos del carbono en la atmósfea no siempre han sido las mismas.

Sucesión estratrigráficas. Métodos de datación relativos.

La sucesión estratigráfica muestra la sucesión de rocas de más antiguas a más nuevas y se basa en las leyes de Steno, en el contenido de fóisles de las rocas y en la existencia de determinados rasgos geológicos (discontinuidades, transgresiones, etc.).

Las leyes de Steno fueron enunciadas en el siglo XVII y son básicamente tres.

La primera es la ley de la superposición, según la cual en una serie de estratos, los más jóvenes son los de la parte superior y los más viejos los de la parte inferior.

La segunda es la ley de la horizontalidad, según la cual cuando una capa o estrato se forma, lo hace horizontalmente. Si la disposición no es horizontal, se debería a algún proceso geológico.

La tercera ley es la ley de continuidad lateral. Un estrato tiene la misma edad en todos sus puntos al movernos lateralmente (horizontalmente) por él.

Estas leyes son avances muy importantes para su tiempo, pero tienen muchas excepciones al tratarse de leyes muy generales.

Los naturalistas se dieron cuenta, por otro lado, de que las rocas en diferentes posiciones tenían fósiles distintos según corresponde a tiempos distintos de fomración (cuando se han enunciado estas leyes, no se conocía aun la teoría de la evolución). A cada tipo de roca tendía a corresponderle un tipo de fósil.

También sirvió para hacer la escala estratigráfica las discordancias, que son paquetes de estratos que no reposan de forma paralela sobre estratos posteriores. Las posibilidades para la existencia de discordancias son enormes. Veamos un ejemplo gráfico:

 

Discordancias estratigráficas.

Una discordancia significa siempre que antes debio haber una deformación.

Una transgresión es un avance de las aguas del mar. Una regresión es un descenso de las aguas del mar. Si hay una glaciación y una gran cantidad de agua se congela en los polos, fomando hielo, el nivel del mar desciende. Si los hielos se derriten, hay una transgtresión. Todos estos procesos se ven en los registros estratigráficos.

Transgresión en un registro estratigráfico.

El esquema del ejemplo es unatransgresión; si el esquea fuese inverso, es decir, con las calizas debajo, se trataría de una regresión.

De este modo se pudieron datar en términos relativos grupos de rocs, es decir, clasificar las rocas de una serie estratigráfica de más antigua a más nueva, aunque sin conocer la edad concreta de cada una de ellas. Para lograrlo debe existir una separación observable en las rocas.

Con todo ello, podemos realizar un esquema de las eras geológicas de la Tierra:

Eras Geológicas de la Tierra.

Gracias a los fósiles se hacen dataciones relativas, al comparar unos con otros. Por ejemplo, si en una calcita encontramos braquiópodos fósiles, podemos deducir si esta roca es más antigua o reciente que otra analizando si son braquópodos típicos del carbonífero o del devónico.

Este es el método más usado. Los métodos radiológicos son caros y además debe trabajarse con elementos radioactivos (que no siempre están presentes). Se han realizado estudios radiológicos con rocas de todas las edades y de este modo se ha podido completar la cronología.

El periodo más conocido es el Fanerozóico, que como vemos en el esquema parte de los últimos 570 millones de años. Sin embargo, la roca más antigua data de unos 3700 millones de años. Hasta la cifra de los 570 millones de años hay un tiempo de la Tierra que apenas conocemos.

En cuanto al paso del Paleozóico al Mesozóico, se establece tras la gran extinción del Pérmico. Pudo ser debida a una gran acidificación del agua del mar y un gran cambio climático en la Tierra.

Durante muchos años existió la duda de la eficacia de los métodos radiométricos. Se llegó a una comprobación a través de un camino muy curioso. Los físicos han calculado que la Tierra está rotando a velocidades cada vez menores. Pierde unos 20 segundos cada millón de años. Es debido, fundamentalmente, a la atracción gravitatoria de la Luna sobre la Tierra (la Tierra ejerce tal efecto gravitacional sobre la Luna que su rotación está frenada). El tiempo que la Tierra tarda en dar una vuelta al Sol apenas ha variado (o se supone que apenas ha variado). Hace millones de años, un año duraba el mismo tiempo aproximadamente, pero al rotar más deprisa, tenía más días (los días eran más cortos).

Se hizo el cálculo basándose en los millones de años de los periodos de la Tierra y con esto se calcula cuántos días tenía un año cualquiera de cada uno de los periodos. Así, en el Pérmico, hace 225 millones de años, los años tenían unos 385 días. En el Carbonífero, hace unos 280 millones de años, un año tenía unos 390 días. En el Devónico, hace unos 325 millones de años, el año tenía unos 396 días. En el Silúrico, unos 345 millones de años atrás, el año tendría unos 401 días. En el Ordovícico, hace 395 millones de años, el año contaría con unos 405 días. En el cámbrico, hace unos 435 millones de años, el año tendría unos 412 días. Y en el límite con el Precámbrico, hace 570 millones de años, el años contaría con unos 421 días.

 

Coral fósil.

Existe un grupo de corales, los Corales Rugosos o Tetracoralerios, que vivieron durante el Paleozóico y se extinguieron durante la gran extinción del Pérmico. Dentro de ellos hay formas solitarias y coloniales. Muchos de ellos muestran laminillas y anillos de crecimiento. Encontramos anillos gruesos y anillos finos dentro de estas laminillas.

Se interpreta que cada laminilla fina es un crecimiento diario. Los cilcos grandes corresponden a crecimientos estacionales. Entre los anillos gruesos hay un año. De este modo, podemos contar las laminillas finas que encontramos dentro de cada lámina gruesa de crecimiento anual y así sabremos cuántos días tenía cada año en la época en la que crecía el coral.

Se tomaron corales del Silúrico y del Devónico y se hicieron los contajes. El número de anillos fínos concuerdan con los estudiados haciendo la correspondiente extrapolación del frenado de la Tierra. De este modo se pueden comparar las mediciones radiométricas de rocas de la misma época que estos organismos con los datos de extrapolación de frenado, que son independientes de métodos radiométricos. Así se ha podido certificar que las edades radiométricas funcionan.

Esquema de un coral anillado.

La mayor parte del tiempo geológico no está registrado en las rocas. La sedimenrtación es un proceso excepcional, si se compara con el tiempo total de vida de la Tierra. Se estima que entre el 50 y el 90% del tiempo no han dejado ningún tipo de registro.

En las rocas sedimentarias, los estratos están dfinidos por superficies de estratificación y que definen los interestratos. Las superficies de estartificación son interrupciones en la sedimentación. El estrato deriva de periodos de sedimentación. De ahí la discontinuidad entre un estrato y el siguiente. El tiempo resgistrado en el interestrático es mucho mayor que el registrado en el intraestrato (como hemos indicado, entre un 50 y un 90% superior). A cada interrupción se les llama diastema. Es el tiempo no registrado. Representa un problema para sucesos continuos, como la evolución.

A las edades del tiimpo, como Eras, Épocas y Periodos se les llama genéricamente Unidades Geocronológicas. Cuando hablamos de un cuerpo físico de estratos, cada uno de ellos se denomina genéricamente Unidad Cronoestratigráfica.

El Eon geocronológico no posee equivalente cronoestratigráfico. Una Era geocronológica corresponde a un Eratema cronoestratigráfica. Un Periodo equivale a un Sistema. Una Época geocronológica equivale a una Serie cronoestratigráfica. Y una Edad geocronológica equivale a un Piso cronoestratigráfico.

Cuando hablamos del Carbonífero, hablamos del tiempo, estamos hablando del Periodo Carbonífero. Si nos queremos referir al paquete de estratos (con fósiles, por ejemplo), hablamos del Sistema del Carbonífero, es decir, consideramos al Carbonífero como un paquete de estratos.