Manteniendo el tiempo con circonitas

CRÉDITO: JOHN VALLEY / UNIVERSIDAD DE WISCONSIN-MADISON

Este fragmento de un cristal de circón extraído de un afloramiento en la remota región de Jack Hills en Australia Occidental tiene 4.400 millones de años. Las impurezas dentro de dichos cristales permiten a los científicos determinar su edad y, por tanto, el momento de todo tipo de desarrollos geológicos.

Los cristales del mineral circón son lo suficientemente resistentes como para sobrevivir a los acontecimientos geológicos más violentos. Las impurezas que contienen proporcionan una cápsula del tiempo de la historia planetaria.

Por Cypress Hansen 14.04.2021

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Los diamantes pueden ser las piedras preciosas más duras, pero las circonitas son las que duran para siempre. Estas piedras de nacimiento de diciembre son tan duraderas que representan el material más antiguo conocido de la Tierra: algunos circones de Australia datan de hace más de 4 mil millones de años.

Pero las circonitas no sólo son viejas. Al igual que los anillos de los árboles, pueden registrar el tiempo, revelando las edades de las rocas que los rodean y los procesos geológicos que han presenciado. Gracias a los circones, los investigadores pueden contar las historias del origen de los planetas, inferir cuándo surgieron los continentes de los océanos y tal vez incluso descubrir minerales preciosos debajo de la superficie de la Tierra.

"Lo que sabemos sobre la Tierra sin la ayuda de los circones es muy, muy pequeño", dice Jesse Reimink, geólogo que estudia los cristales en la Universidad Estatal de Pensilvania.

El mineral circón se forma cuando los elementos circonio, silicio y oxígeno cristalizan en magma o roca metamórfica. Con el tiempo, el calentamiento y enfriamiento repetidos agregan capas externas al cristal, como capas sucesivas de pintura. Los átomos de un puñado de elementos, como el uranio, son lo suficientemente similares a los átomos de circonio como para ocupar su lugar dentro de la estructura cristalina. Si estos átomos son radiactivos, se convertirán lentamente en otro elemento, como el plomo, mediante el predecible proceso de desintegración radiactiva.

Cuando esto sucede, el cristal se convierte en un reloj. Al hacer estallar cristales de circón con láseres o disolverlos con ácido y luego medir las proporciones de uranio a plomo, por ejemplo, los científicos pueden estimar el momento de los eventos geológicos antiguos con una precisión impresionante.

El circón "es el mineral perfecto para el sistema de desintegración de uranio-plomo", dice Reimink, "y el sistema de desintegración de uranio-plomo es como un regalo de Dios a la geocronología".

Y debido a que los circones son extremadamente resistentes a derretirse, agrietarse o erosionarse, permiten a los investigadores fechar algunos de los eventos más antiguos del planeta.

"La investigación del circón es el horizonte en el que podemos hacer descubrimientos sobre la Tierra primitiva", dice la geoquímica Beth Ann Bell de UCLA. "Es parte de tratar de entender de dónde venimos".

Los cristales de circonio se forman en magma o roca metamórfica y crecen en nuevas capas en roca líquida o casi líquida. Los elementos que tienen formas naturalmente radiactivas se pueden incorporar a la estructura cristalina a medida que crece. Con el tiempo, estos elementos, como el uranio que se muestra aquí, se descomponen en elementos hijos a un ritmo predecible, lo que proporciona a los científicos un "reloj" con el que pueden fechar los procesos geológicos experimentados por el cristal de circón.

Los circones tienen aproximadamente el tamaño de un grano de arena y los investigadores a menudo tienen que recolectar, triturar y tamizar varios kilogramos de roca para obtener una muestra de buen tamaño. Pero con la tecnología láser mejorada y los instrumentos analíticos más sensibles, la datación con circón se está volviendo más fácil y precisa, lo que significa que los científicos pueden extraer más información de menos cristales. "Este campo está evolucionando muy rápidamente", afirma Martin Bizzarro, científico planetario de la Universidad de Copenhague. "La gente está traspasando los límites para analizar muestras cada vez más pequeñas con la mayor precisión".

Esto es algo de lo que los científicos están aprendiendo de estos pequeños relojes.

En 2011, se descubrió en el desierto de Marruecos un meteorito marciano apodado Belleza Negra. Los circones dentro del meteorito contienen pistas sobre el nacimiento del Planeta Rojo y sobre los orígenes de su agua.

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La datación de los circones reveló una edad antigua de 4.470 millones de años, descubrieron Bizzarro y sus colegas, y la composición de los cristales sugiere que Marte se formó dentro de los primeros 20 millones de años de existencia de nuestro sistema solar, una formación sorprendentemente rápida. En aquel entonces, muchas rocas, trozos de hielo y vapor de agua (los componentes básicos de los planetas) todavía rodeaban el sol recién nacido, esperando ser absorbidos por la gravedad de los planetas en crecimiento.

Análisis adicionales de fragmentos del meteorito marciano, incluidos fragmentos antiguos de la corteza del planeta, sugieren que pudo haber habido agua en la superficie marciana en los primeros 80 millones de años de la evolución del planeta. Los científicos han debatido durante mucho tiempo si el agua estuvo presente en Marte (y la Tierra) desde el principio o si llegó más tarde debido al bombardeo de asteroides helados. Si el agua emerge en otros planetas cuando se forman rápidamente, entonces "debería haber muchos mundos de agua en la galaxia y planetas potencialmente habitables", dice Bizzarro.

Algunos científicos creen que la Tierra estaba completamente cubierta de agua antes de que surgieran los primeros continentes, hace unos 3 mil millones de años. Sin embargo, la rapidez con la que las masas terrestres surgieron de los mares sigue siendo un misterio. Los circones depositados en antiguos lechos de ríos y océanos han ayudado recientemente a los geólogos a hacer una crónica de este evento masivo, brindando información sobre la evolución de la vida en la tierra y la regulación del clima.

Estos circones, que aún no han sido fechados, fueron liberados desde las profundidades subterráneas cuando el Monte Pinatubo en Filipinas entró en erupción en 1991.

CRÉDITO: CORTESÍA DE FIDEL COSTA Y JORGE VAZQUEZ

Los circones, que llevan marcas de edad de sus ubicaciones originales, son liberados en los ríos por la erosión, depositados río abajo y compactados en rocas sedimentarias. Las rocas que contienen una amplia gama de edades de circón probablemente provienen de una gran cantidad de fuentes de rocas erosionadas y, por lo tanto, de una cuenca hidrográfica más grande. Para determinar el tamaño de las antiguas cuencas hidrográficas y, por tanto, el crecimiento de los primeros continentes, Reimink analizó datos de la edad del circón de más de 4.200 muestras de rocas de todo el mundo. Los resultados, publicados en Earth and Planetary Science Letters en 2021, sugieren que los continentes tardaron 500 millones de años en alcanzar sus alturas actuales una vez que comenzaron a surgir de los océanos hace 2.800 millones de años.

Este hallazgo puede ayudar a los científicos a comprender todo tipo de cosas, como cuando los océanos de la Tierra comenzaron a absorber enormes cantidades de gases volcánicos, incluido el dióxido de carbono, de la atmósfera, un proceso que alteró el clima y dio forma a la capacidad de la Tierra para sustentar la vida.

Un cristal de 4.100 millones de años descubierto en Jack Hills, Australia, albergaba lo que podría ser una de las primeras evidencias de vida en la Tierra. De ser cierto, el hallazgo sugiere que la vida comenzó bastante rápidamente después de la formación del planeta, hace unos 4.540 millones de años.

El circón tenía motas de carbono puro, también conocido como grafito, conservadas dentro de su estructura. Estas inclusiones contenían una forma común de carbono conocida como carbono-12, junto con niveles inusualmente bajos de su contraparte más pesada, el carbono-13. Las plantas y las algas almacenan preferentemente el carbono 12, más ligero, durante la fotosíntesis, por lo que los investigadores utilizan proporciones de carbono para distinguir los fósiles de organismos que alguna vez estuvieron vivos de las rocas ordinarias.

El material más ligero de las inclusiones, dice Bell, "concuerda con lo que vemos en la vida actual". Por supuesto, precisar cuándo surgió la vida es complicado y a menudo controvertido: los fósiles muy antiguos son escasos y los científicos no siempre se ponen de acuerdo sobre cómo interpretarlos. Debido a que Bell y sus colegas, que informaron del hallazgo en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias en 2015, encontraron solo un circón con motas de grafito lo suficientemente prístino como para descartar definitivamente la contaminación, existe escepticismo. "Pero la gente no lleva mucho tiempo buscando grafito en circones", dice Bell. Se necesitan investigaciones adicionales (y circones) para aumentar la certeza.

Las dos grandes motas (centro y arriba a la derecha) son pequeños trozos de carbono incrustados dentro de un cristal de circón de 4.100 millones de años. Las proporciones de dos versiones de carbono dentro de esas motas sugieren que son restos de algo que podría realizar la fotosíntesis. Si esa interpretación es correcta, entonces la vida pudo haber estado presente poco después de que la Tierra se formara hace unos 4.540 millones de años.

CRÉDITO: EA BELL ET AL / PNAS 2015

Los supervolcanes pueden presentar serias amenazas, y los investigadores buscan cada vez más los circones para ayudar a predecir la próxima erupción. Los circones arrojados en erupciones anteriores pueden arrojar luz sobre lo que sucede debajo de la superficie antes de una explosión, como por ejemplo cuánto tiempo tarda el magma en acumularse antes de salir a la superficie, dice el vulcanólogo Fidel Costa del Observatorio de la Tierra de Singapur.

En uno de esos casos, un equipo internacional de científicos analizó circones que surgieron del volcán Nevado de Toluca durante los últimos 1,5 millones de años. El análisis, publicado en noviembre en Nature Communications, sugiere que sólo una fracción del magma del volcán inactivo ha entrado en erupción, y si el magma comienza a moverse nuevamente, el volcán podría entrar en erupción dentro de una vida humana.

Estas escalas de tiempo basadas en circones, dice Costa, quien recientemente describió el estado de la geocronología de las rocas volcánicas en la Revisión Anual de Ciencias Planetarias y de la Tierra de 2020, “nos dan una indicación de cuánto tiempo tenemos para prepararnos”.

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Explorar minerales en las profundidades del suelo no es una tarea fácil, pero los circones en rocas cercanas a la superficie podrían llevar a los buscadores a lugares mineros lucrativos. En un estudio de caso, investigadores del sur de la Columbia Británica confirmaron que los circones locales contenían pistas sobre los depósitos de cobre ocultos debajo. Los circones evaluados contenían altos niveles del elemento europio, un indicador de que las rocas de la región se formaron a partir de magma rico en agua, un requisito previo para la formación de un tipo particular de depósito de cobre, informaron los investigadores en Economic Geology en enero.

Muchos minerales económicamente valiosos, como el oro, se forman en las mismas regiones de masa rocosa fundida debajo de la superficie de la Tierra en las que se originan los circones. La nueva investigación sugiere que recolectar circones de las rocas en la superficie puede ser una forma fructífera de saber si el entorno Los lechos de rocas tienen la química o la edad adecuadas para ser terrenos fértiles para los metales deseados.

Los circones son tan útiles y los científicos están tan entusiasmados con ellos que a veces se ignora la información geológica relevante contenida en muestras de rocas sin circones, señala Scott Bryan, de la Universidad Tecnológica de Queensland en Brisbane, Australia. (Bryan publicó un recordatorio de las limitaciones de los circones en 2018 en Earth-Science Reviews). Aún así, agrega, aunque incluir otros análisis seguramente proporciona una visión más holística del pasado distante de la Tierra, la datación con circones es la mejor herramienta para la geocronología. Los circones transmiten tanto sobre el pasado, el presente y el futuro que son lo más parecido que tienen los científicos a una bola de cristal.

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Cypress Hansen es pasante de redacción de Knowable Magazine. Nunca le han impresionado los diamantes y quizá simplemente pida una circonita en su anillo de bodas. Siga a Cypress @pollenplankton.

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