Francis en #rosavientos: La “roca” más antigua de la Tierra

Por Francisco R. Villatoro, el 2 marzo, 2014. Categoría(s): Ciencia • Eureka (La Rosa de los Vientos) • Nature • Noticias • Science ✎ 9

Dibujo20140229 Microscopic zircon crystal discovered in Western Australia - nature

Ya puedes escuchar el podcast de mi sección Eureka, en La Rosa de los Vientos, Onda Cero. Como siempre una transcripción y algunos enlaces.

La edad de la Tierra se estima en unos 4.500 millones de años. ¿Cómo se puede datar la edad de la Tierra? Para datar la Tierra se utiliza la radiactividad natural debida a la presencia de elementos radiactivos en las rocas y minerales. Esta técnica se llama datación radiométrica y la más conocida es la datación con carbono-14 de restos de seres vivos. En el laboratorio se puede determinar la vida media de un isótopo radiactivo, es decir, el tiempo que tarda la mitad de cierta cantidad de un isótopo padre en desintegrarse en un isótopo hijo. Para datar rocas antiguas se usan pares padre/hijo de isótopos radiactivos de larga vida media, como los pares potasio/argón, uranio/plomo y rubidio/estroncio, entre otros. La desintegración del potasio-40 en argón-40 tiene una vida media de 1.250 millones de años; la desintegración de uranio-238 en plomo-206 tiene una vida media de 4.470 millones de años; y la desintegración del rubidio-87 en estroncio-87 tiene una vida media de 48.800 millones de años. Estas vidas medias tan largas permiten datar la Tierra y el Sistema Solar. Por comparación, el carbono-14 tiene una vida media de 5.730 años luego sólo permite datar restos con hasta 60.000 años. La datación radiométrica aplicada a meteoritos y rocas antiguas de la Tierra indica que nuestro planeta tiene una edad de unos 4.500 millones de años.

Recomiendo leer a Agustín Válgoma, “Minerales y rocas radiactivas,” Desayuno con Fotones, 26 Feb 2014. Más sobre datación radiométrica en la wiki; por cierto, las vidas medias las he tomado de la wikipedia: Potassium-argon dating, Uranium-lead datingRubidium-strontium dating.

Dibujo20140301 Cross-section of the ancient Martian meteorite

¿Cuáles son los meteoritos más antiguos que se han datado? La mayoría de los meteoritos que caen en la Tierra son condritas. Su nombre proviene de que contienen pequeñas partículas redondas llamadas cóndrulos compuestas de minerales de silicato que se fundieron mientras el meteorito flotaba por el espacio interplanetario. Las condritas tienen unos 4.550 millones de años de antigüedad y se cree que fueron los “bloques de construcción de los planetas”. Los meteoritos más antiguos que se han encontrado en la Tierra son condritas con una edad de unos 4.567 millones años y esa es la edad que se cree que tiene el Sistema Solar. Por otro lado, la datación de las rocas lunares obtenidas en las misiones Apollo indica que el sistema Tierra-Luna se formó hace entre 4.500 y 4.400 millones de años. La roca lunar más antigua se recogió en la misión Apollo 16 y está datada en 4.460 millones de años.

Más información sobre las muestras más antiguas obtenidas con las misiones Apollo en “The Oldest Lunar Rocks,” Space Math, PDF. Más sobre condritas en la wiki.

Dibujo20140302 A zircon crystal found 15 years ago at Jack Hills in Western Australia is the world oldest mineral yet to be found

¿Cuáles son las rocas más antiguas que se han encontrado en la Tierra? Las rocas más antiguas de la Tierra se encuentran en lugares donde hay grandes extensiones de roca desnuda en la superficie, por ejemplo, en Canadá, Australia y África. En estos lugares se puede caminar sobre rocas formadas hace más de 4.000 millones de años según la datación radiométrica. En estas rocas se encuentran incrustados pequeños cristales de un mineral llamado circón, que es muy resistente y puede sobrevivir sin alteración a muchos ciclos de erosión meteorológica, transporte y sedimentación de la roca madre. Estos cristales de circón pueden alcanzar una edad cercana a los 4.400 millones de años. Esta semana ha sido noticia que un equipo liderado por investigadores del Instituto de Astrobiología de la NASA ha utilizado un nuevo método de datación radiométrica para datar un cristal de circón recogido en el año 2001 en el oeste de Australia, en una zona de colinas rocosas llamadas Jack Hills. Se ha publicado en la revista Nature Geosciences que este cristal de circón tiene una edad de 4.374 millones de años. Todo un récord tanto por su antigüedad, sería el resto de roca terrestre más antiguo conocido, como por la gran precisión obtenida en la medida de su edad. 

El artículo técnico es John W. Valley et al., “Hadean age for a post-magma-ocean zircon confirmed by atom-probe tomography,” Nature Geoscience 7: 219-223, 23 Feb 2014. Recomiendo leer a Samuel Bowring, “Early Earth: Closing the gap,” Nature Geoscience 7: 169-170, 23 Feb 2014. Más información en español en Miguel G. Corral, “La roca más antigua de la Tierra,” El Mundo, 26 Feb 2014; EP, “El fragmento más antiguo de la Tierra: 4.400 millones de años,” ABC, Ciencia, 24 Feb 2014.

Dibujo20140302 SEM images of growth zoning - inclusions and analysis spots for the old zircon - nature geoscience

¿Qué implicaciones tiene el descubrimiento de una “roca” tan antigua? El cristal de circón encontrado en Australia se formó durante la primera era de la Tierra, llamada eón hadéico, que comprende desde la formación de la Tierra hasta hace unos 4.000 millones de años. Durante el eón hadéico  nuestro planeta se diferenció en núcleo, manto y corteza. Hace 4.400 millones de años la Tierra era extremadamente caliente y estaba formada por un océano fluido de magma que comenzó a enfriarse para dar lugar a la formación de las primeras rocas. El nuevo artículo indica que el cristal de circón encontrado en Australia se formó cuando la nuestro planeta tenía entre 100 y 160 millones de años. Por tanto, apunta a que la corteza sólida de la Tierra se formó en apenas 100 millones de años después de que un asteroide con un tamaño similar al planeta Marte chocase contra la Tierra primitiva y diera lugar a la formación de la Luna. Para muchos geólogos es muy sorprendente un tiempo de enfriamiento tan corto.

Dibujo20140302 APT and SIMS U-Pb data for the old zircon - nature geoscience

¿Cuál puede ser la explicación de este enfriamiento tan rápido de la corteza terrestre? Todavía no se conoce la respuesta, pero la hipótesis más razonable se publicó en el año 2008. Gracias a una técnica llamada “termómetro de titanio” que permite saber a qué temperatura se formaron los circones midiendo la cantidad  de titanio que contienen. A mayor temperatura de formación, mayor cantidad de titanio contenido en los circones. Esta técnica indica que los circones de Jack Hills en Australia se formaron a unos 700 grados . Una temperatura tan baja sugiere que los circones fueron enfriados por agua oceánica. Además, la cantidad de aluminio presente en los circones permite medir la presión a la que se formaron. Las medidas indican una presión de al menos 7.000 atmósferas, es decir, una profundidad de unos 25 kilómetros. Una temperatura de 700 grados Celsius a esa profundidad sugiere que los circones se formaron en zonas de subducción. Por tanto, se cree que la corteza de la Tierra poco después de su nacimiento estaba cubierta de un inmenso océano de agua que la cubría en su totalidad y presentaba placas tectónicas. Por supuesto, serán necesarios futuros estudios para confirmar una formación de la corteza terrestre tan rapidísima y la presencia tan temprana de un inmenso océano que ayudó al a su enfriamiento. 

Más información en Nicola Jones, “Evidence of 4-billion-year-old subduction points to an early start for modern-Earth geology,” Nature, News, 26 Nov 2008; el artículo técnico es Michelle Hopkins, T. Mark Harrison, Craig E. Manning, “Low heat flow inferred from >4 Gyr zircons suggests Hadean plate boundary interactions,” Nature 456: 493-496, 27 Nov 2008. Más información técnica en T. Mark Harrison, “The Hadean Crust: Evidence from >4 Ga Zircons,” Annual Review of Earth and Planetary Sciences 37: 479-505, May 2009; y en Jun Korenaga, “Initiation and Evolution of Plate Tectonics on Earth: Theories and Observations,” Annual Review of Earth and Planetary Sciences 41: 117-151, May 2013.

Dibujo20140302 APT images of Y and Pb clusters in the old zircon - nature geoscience

En qué consiste la nueva técnica de datación utilizada para datar el cristal de circón más antiguo hasta el momento. La nueva técnica de datación se basa en las propiedades de los circones. El método normal de datación radiométrica de un circón se basa en el par de radioisótopos uranio-plomo. Se calcula la edad del cristal comparando la cantidad de átomos de uranio padres con la de átomos de plomo hijos. Este método tiene baja precisión porque los cristales se pueden contaminar con uranio y plomo de otras rocas y minerales vecinos. El investigador principal, John Valley, y su equipo usaron una nueva técnica llamada tomografía de prueba atómica que permite reconstruir átomo a átomo la estructura tridimensional del mineral. Gracias a ello se puede hacer un mapa de la distribución de los átomos de plomo en el circón con una gran resolución espacial. Por ello permite la datación más precisa y más exacta que se haya hecho hasta ahora de un cristal de circón, 4.374 millones de años.

Dibujo20140302 model plate boundary interactions today and during hadean - ann rev

¿Se ha aplicado la nueva técnica a la datación de meteoritos? Todavía no se ha aplicado la nueva técnica a la datación de meteoritos y con ellos del propio Sistema Solar, pero nada impide hacerlo. La nueva técnica es muy laboriosa, pero con toda seguridad será aplicada en los próximos años a meteoritos y rocas lunares. Los resultados que se obtengan ayudarán a comprender cómo se forman los planetas habitables, es decir, cómo se forma la corteza sólida de un planeta que posibilita la aparición de la vida. Poder recoger muestras de rocas en Marte y traerlas hasta la Tierra nos daría información muy relevante sobre la formación de la corteza de Marte y permitiría realizar planetología comparada. Se podrían despejar dudas tan importante como si pudo haber agua en Marte antes de lo que la hubo en la Tierra.

 



9 Comentarios

  1. Antes de empezar, quisiera dejar claro que valoro muchísimo tu tarea divulgativa (y la de Naukas en general). Yo apenas estoy empezando a divulgar y sois un referente para mí. Mis conocimientos son limitados y me centro en la Geología, pero vosotros abarcais temas muy variados y eso es digno de admiración.

    En general, lo que cuentas es bastante correcto, aunque quisiera hacer algunas puntualizaciones:

    1) Lo que John Valley y colaboradores han datado es un circón procedente de una arenisca ligeramente metamorfizada. Dicho circón no se formó originalmente en esa roca. Su origen se remonta a una roca ígnea, supuestamente un granito, lo cual es algo sorprendente para lo joven que es (hablaré de esto en el punto 3). La historia del circón es la siguiente: Se forma presuntamente en un granito en profundidad, esa roca que lo hospeda llega a la superficie terrestre, se erosiona y sus minerales componentes (entre los que se encuentra nuestro viejo circón) son transportados y depositados en otro lugar. Esos materiales depositados son enterrados y transformados en arenisca, que es metamorfizada con posterioridad y regresa de nuevo a la superficie, donde está ahora, aunque esa parte ya nos da igual.
    Así que la roca que contiene el circón analizado es más joven que el circón. Por tanto, ese circón no nos da la edad del la roca que lo contiene.
    De hecho, John Valley comenta que la roca en cuestión tiene unos 3000 Ma (mega annum en latín, millones de años en castellano).

    2) La técnica de datación que usan no es nueva. Es una CAMECA que lleva en Wisconsin casi 10 años. Lo que es nuevo es el análisis de distribución de isótopos de plomo realizado con la tomografía de sonda atómica (probe en inglés se suele traducir como sonda, no como prueba). Con esta sonda demuestran que la edad no es el resultado de una redistribución de isótopos de plomo que pueda sesgar el dato de la edad, sino que se trata de una edad real.

    3) Las implicaciones que comentas son correctas, pero la interpretación de Valley y su equipo es muy polémica. El problema con los circones detríticos es que la información que podemos obtener de ellos es muy limitada. Hablas del termómetro de titanio en circón y el barómetro de aluminio (por cierto, nosotros hablamos de la presión en kilobares, somos así de irreverentes con el SI), aunque también se han hecho isótopos de oxígeno (Valley es el que corta el bacalao en los isótopos de oxígeno en circón). Pero al no conocer cual es la roca original es difícil interpretar los datos. A ver, un problema es que cuando se habla de circones, hay una serie de ideas preestablecidas que a veces no funcionan. Por ejemplo: “Los circones se forman en rocas intermedias y ácidas (como un granito)”. Pero esto no es cierto: Yo he visto circones en rocas básicas también. De esta manera, podrían proceder de la cristalización de rocas básicas o ultrabásicas en el océano magmático primitivo (que es la idea que predomina hoy en día). Por otro lado, yo he usado el termómetro de titanio del que hablas en mis muestras y da muchísimos problemas. En la mayoría de los casos (sobre todo en rocas básicas, aunque también en las ácidas) subestima la temperatura real de cristalización del circón. Con el barómetro de aluminio seguro que ocurre lo mismo. Y la interpretación de los datos de oxígeno (que indican que el oxígeno de esos circones es de origen meteórico porque está enriquecido en el isótopo ligero, que se concentra únicamente por un proceso de evaporación, es decir, que implica la presencia de agua líquida a esa edad) se discute también.

    Como ves, es un tema muy polémico. A mí se me ocurren algunas cosas que no cuadran en este modelo de Tierra fría y aguada antes de lo normal; por ejemplo, las komatiitas (rocas ultrabásicas características del Arcaico que se supone que se han formado en una Tierra joven con unos gradientes de temperatura mayores que los actuales) o las formaciones de hierro bandeado, también arcaicas, que supuestamente se originaron en un ambiente reductor, sin oxígeno.

    Hace poco decía en mi blog que yo era un uniformista radical, pero a la vista de estos datos tengo que puntualizar que soy un uniformista radical post-Hádico (no hadéico…). Lo que ocurrió en el Hádico seguramente poco tiene que ver con la “tranquila” Tierra posterior, pero esa es la única concesión que haré a los Catastrofistas.

    Acabo como empecé (para que no queden dudas), idolatrando vuestra labor divulgadora. Espero no haber resultado muy técnico, todavía se me hace difícil deshacerme de mi vena académica…

    1. Estimado Antonio, con el permiso del dueño del blog (espero) me dispongo a contestarte tus dudas.

      La idea de una Tierra de 4400 Ma con corteza continental y océanos es relativamente nueva y, como todas las ideas nuevas, tardará en hacerse un hueco entre la comunidad geológica. Aunque pueda parecer lo contrario, los científicos nos aferramos a las ideas tradicionales, y si consultas cualquier manual de geología general moderno encontrarás el modelo que se ha mantenido hasta ahora de una Tierra joven en la que había un gran gradiente geotérmico, incluso donde había océanos de magma en superficie. No en vano a esa primera etapa se la denominó Hádico (desde la formación hasta los 3850 Ma), que viene del griego Hades, dios del inframundo.

      El tema del agua se justifica por los isótopos de oxígeno analizados en el circón. Se asume que el oxígeno 16 y el 18 se comportan igual en los procesos geológicos endógenos, es decir, no se fraccionan. Pero en estos circones hay mayor cantidad del isótopo 18. Según Valley, esto solo puede explicarse si se produjo un fraccionamiento de los isótopos del oxígeno, que se supone que únicamente ocurre en el proceso de evaporación. Durante la evaporación, el O16 se concentra en las nubes y el O18 en el mar. Si ese circón tenía mayor O18 del normal, es que había mar. Pero ese razonamiento se discute. He podido encontrar esta publicación en contra: Earth and Planetary Science Letters, vol. 244, 1-2, 218-233.

      El termómetro de Ti lo que sugiere es que esa roca se formó a relativa baja temperatura (700ºC), típica de un granito y no de una roca ultramáfica (que sería el tipo de roca si existiese ese océano de magma), cuyas temperaturas son mucho mayores (~1000ºC).

      Si juntas baja T de cristalización, hidrosfera y un par de cosillas más, pues ya está: corteza temprana, granitos, mares… y adiós al modelo tradicional.

      Personalmente, quisiera más evidencias, pero en una etapa tan temprana de la Tierra los modelos son muy especulativos.

      Saludos
      Pedro

    2. Claro, una de las ideas que se barajan para explicar la poca abundancia de rocas de esa época es el bombardeo meteorítico posterior. Aunque la Tectónica de Placas también habrá hecho lo suyo.
      El tema del agua es complicado porque además dicen que tenemos más agua de la que nos correspondería.
      El termómetro de Ti lo que nos proporciona es la temperatura a la se formó el circón, la edad nos la dan los isótopos de U-Th-Pb.
      Un saludo
      Pedro

  2. Antes de contestarte, quisiera agradecer de nuevo a Francisco haber sacado este tema de la Tierra primitiva y me gustaría destacar también su gran labor. Es un tema muy especializado pero apasionante a la vez.

    La robustez del sistema U-Th-Pb para obtener edades reside en el hecho de tener tres diferentes isótopos (U235, U238 y Th232), además de Pb207/Pb206, funcionando a la vez. Esto implica que si los tres dan la misma edad, se dice que son concordantes y que representan una edad real. Si son diferentes se habla de discordancia, que indica una modificación del sistema isotópico en un momento posterior a la formación del circón y la edad no es muy fiable. En este caso las edades son concordantes, como se ve en el diagrama 206Pb/238U-207Pb/235U.
    Así que no importa mucho que el circón no esté en su roca original.
    Sin embargo, para los demás datos composicionales (Ti, Al, O y REE) sí que es importante que el circón esté en su sitio.

    Lo del exceso de agua lo escuché en una charla que hubo en nuestra facultad hace un mes sobre el origen de la Tierra. He estado buscando y me he encontrado este enlace: http://www.phschool.com/science/science_news/articles/water_for_the_rock.html
    donde se comentan varios artículos que hablan sobre el tema. He podido localizar los de Drake y Righter (2002) y Robert (2001), y ahí lo explican con detalle.

    Un saludo
    Pedro

    1. Pedro, muchas gracias por tus aportes, en especial lo relativo al exceso de agua (el enlace que posteaste no tiene desperdicio).

      La contribución exclusivamente cometaria siempre me pareció insuficiente y antojadiza, como si los cometas hubieran “preferido” caer aquí. No es coherente con la sequedad de los planetas vecinos. La hipótesis de planetesimales húmedos es una alternativa que explica mejor esa “arbitrariedad”.

      Sobre este tema quisiera agregar que hace años vi un documental en Discovery Channel acerca de la formación de la Luna, el consabido choque de la proto Tierra con un planeta de tamaño similar a Marte.

      El modelo propuesto en dicho documental suponía una proto Tierra básicamente oceánica, con mucha más agua que en la actualidad, en su mayor parte volatilizada al espacio durante el choque planetario.

      Ignoro cuánta credibilidad asignarle a dicha fuente, o si ese modelo concreto ya ha sido rebatido. Lo interesante era que explicaba la mayoría del actual exceso de agua como un remanente que sobrevivió al choque planetario.

      Pero desde ya aclaro que ese documental no dedicó ni un solo segundo de su metraje en explicar por qué esa presunta proto Tierra era inicialmente tan acuosa.

      Saludos.

  3. Quisiera agradecer a todos los comentaristas en especial Pedro Castiñeiras por ejemplificar de una manera tan clara y sencilla los procesos geologicos y técnicas radiometricas en este discutible tema como es el origen de la tierra. Muchas Gracias al creador del blog me gustaría poder contactarlos a todos para discutir, y aclarar muchas dudas especialmente para aprender.

    Saludos
    Jonathan

  4. Mi pregunta es ¿Por qué en Australia están los minerales más antiguos? estoy en 1º de la ESO y me lo ha formulado mi profesor de biología. Estoy buscando en internet y no he encontrado una respuesta lógica que pueda entender.
    Gracias

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