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Geología María Merino Gutiérrez
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Tema 3: Cronología geológica.
3.1. Objetivos y tipos de datación.
Los objetivos de la cronología geológica son:
Conocer la historia de la tierra (determinar los fenómenos
geológicos que han acontecido desde su formación hasta la
actualidad)
Datación de los sucesos geológicos (cuándo acontecieron, cuánto
duraron o en qué orden sucedieron)
Cuando se trabaja en cronología geológica es importante tener una
perspectiva de tiempo adecuada, ya que las unidades de tiempo
empleadas son muy diferentes de las que estamos acostumbrados a
manejar.
Para datar los acontecimientos geológicos se emplean dos tipos de
datación:
Datación relativa: Consiste en situar cronológicamente el suceso
que estamos estudiando en relación con otros. Deducimos que tal
evento sucedió de forma posterior a un suceso de referencia y con
anterioridad a otro.
Datación absoluta: Consiste en medir el tiempo transcurrido desde
que ocurrió el suceso hasta la actualidad.
3.2. La datación absoluta.
Con los métodos actuales de datación absoluta se va perdiendo precisión
a medida que el suceso es más antiguo. Según la época de la que se trata
las unidades de tiempo se expresan de la siguiente manera:
Acontecimientos del Cuaternario, en ka (kiloaños)
Acontecimientos del Fanerozoico, en Ma (Millones de años)
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Acontecimientos del Precámbrico, decenas o centenas de Ma.
El margen de error de las dataciones suele oscilar en torno a varias
unidades de la magnitud utilizada.
Para determinar cronológicamente un suceso, es necesario que ocurran
dos requisitos:
1. Disponer de un proceso físico que ocurra en las rocas y que esté
regulado por alguna expresión matemática en la que el tiempo
intervenga como un variable.
2. El proceso se debe de iniciar coincidentemente con el suceso que se
quiera datar, o que exista alguna marca de ese momento en
concreto.
Los métodos empleados para la datación, pueden ser físicos o químicos.
3.2.1. Métodos físicos.
Se han empleado numerosos métodos físico como herramienta de
datación. Se ha empleado la salinidad del mar, ya que se supone
que ha ido aumentando gradualmente en el tiempo y se puede
observar mediante las gotas de agua atrapadas en el sedimento
marino.
También se ha empleado el enfriamiento de la tierra para calcular
la edad de ésta.
También se han hecho ensayos sobre la velocidad de
sedimentación marina en cuencas oceánicas, aunque han obtenido
resultados muy poco fiables a largo plazo, aunque si sirven para
estimar la edad en depósitos pelágicos en intervalos muy cortos.
Otra técnica es el recuento de láminas en sedimentos marinos
pelágicos y en depósitos glaciares (varvas). En los depósitos
glaciares se forman anualmente dos láminas, una de mayor espesor
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y de color más claro en verano, y otra más oscura y delgada en
invierno. Mediante el recuento de varvas glaciares se puede
determinar la edad de los depósitos recientes.
Aunque de todas las técnicas empleadas la más precisa es la
radioactividad natural. Esta técnica es debida al fenómeno
producido por la existencia de determinados isótopos de algunos
elementos cuyos núcleos son inestables.
Las fuerzas que unen los protones y los neutrones suelen ser
fuertes, pero al ser inestables en algunos isótopos, hacen que el
núcleo emita o capte alguna partícula radioactiva, transformándose
en un átomo de otro elemento diferente.
Los procesos de radioactividad más comunes son:
Emisión de una partícula β (electrón) por un neutrón del
núcleo del isótopo inestable. El neutrón se convierte en un
protón, aumentando el número atómico, haciendo que se
transforme en el siguiente elemento de la tabla periódica.
Captura de un electrón por un protón, que se convierte en
un neutrón. El isótopo transformado al tener un protón
menos se convierte en el elemento anterior de la tabla
periódica.
Emisión de partículas α, constituidas por dos protones y dos
neutrones (equivalentes a un núcleo de Helio). La emisión de
una partícula α conlleva la pérdida de 4 unidades de masa
atómica y dos en el número atómico, por lo que el isótopo
transformado se convierte en el elemento situado dos
posiciones anteriores.
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3.2.1.2. Técnicas radiométricas.
Se basan en el hecho de que los núcleos de los elementos radioactivos se
descomponen a una tasa constante. Para llevar a cabo estas técnicas, se
miden los núcleos que quedan sin descomponerse, los generados tras la
descomposición de los núcleos inestables, o los electrones liberados en el
proceso.
Un isótopo inestable de un elemento es químicamente idéntico a dicho
elemento, aunque atómicamente resulta diferente y experimenta una
descomposición radiactiva regular, rompiéndose en varios núcleos
menores de otros elementos y liberando partículas atómicas de alta
movilidad y energía, que constituyen la radiactividad.
Una propiedad fundamental de la descomposición radiactiva, es la
probabilidad de que cualquier núcleo se descomponga en un momento
dado es constante para cada isótopo, no pudiéndose predecir el núcleo
concreto que se desintegrará.
El tiempo que debe de transcurrir para que desaparezcan la mitad de los
isótopos inestables se denomina vida media o periodo de
semidesintegración. 1/2 (una vida media), 1/4 (dos vidas medias), 1/8
(tres vidas medias), etc…
La velocidad del proceso es perfectamente controlable, ya que la cantidad
de isótopos que se van a transformar por unidad de tiempo es
directamente proporcional a la cantidad de isótopos inestables presentes.
Expresado matemáticamente sería:
-dN/dt=ʎN
N es el número de de isótopos inestables en un momento dado
ʎ es la constante de desintegración, determinable bajo ensayo en el
laboratorio
t es el tiempo transcurrido durante el proceso radiactivo.
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Si integramos:
t=Ln(N0/N)ʎ
N0 es el número de isótopos inestables que había en el momento en el
que se inició el proceso.
Conforme a estas expresiones matemáticas deducimos que el proceso de
desintegración radiactiva sigue una curva exponencial negativa, si se
representa N en función del tiempo.
Este método pierde precisión fuera del primer periodo de desintegración a
no ser que la cantidad inicial de isótopos fuera muy elevada.
Los isótopos inestables más empleados en la datación actualmente son el 40K/40Ar.
Este método se emplea cuando las rocas o minerales contienen potasio,
éste está presente de tres formas, 39K, 40K y 41K, siendo el 40K el único
radioactivo.
El proceso es el siguiente:
Se emite una partícula β y el átomo 40K se transforma en 40Ca. Después se
captura un electrón convirtiendo el 11% de l40K inicial en 40Ar.
Todo el Argón presente en la roca proviene de este proceso, ya que no se
encuentra en la naturaleza de las rocas. Se emplea para datar
acontecimientos que ocurrieron hasta hace más de 100 Ka.
El cronómetro radiométrico se pone en funcionamiento en el momento en
el que se forma el mineral que contiene K. Para obtener la edad correcta
el sistema debe de permanecer cerrado desde el inicio del proceso, para
que las proporciones entre isótopo padre e hijo estén condicionadas
exclusivamente por el proceso de desintegración. Un inconveniente que
presenta este método es que si la roca ha pasado por algún
acontecimiento térmico superior a 200ºC, la red cristalina del mineral se
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degrada y deja escapar el Argón, siendo imposible datar la roca con
fiabilidad.
Otro método empleado es el 40Ar/39Ar.
El 39Ar se crea a partir del 39K por exposición a energía de alta radiación, la
roca se funde para liberar el Argón, del cual se conoce su ratio en la
naturaleza. Esta es una técnica más simple que la anterior.
También se emplea la técnica del Carbono 14(14C)
El 14C se origina en la atmosfera a partir del nitrógeno atmosférico (14N)
sometido al bombardeo de los rayos cósmicos procedentes de los vientos
solares, que transportan neutrones de alta energía.
El proceso es el siguiente; un neutrón impacta en un núcleo de Nitrógeno,
queda atrapado en él a la vez que sale del núcleo un protón. La masa
atómica no varía, pero su número atómico desciende en una unidad,
pasando al CO2 atmosférico y es tomado por las plantas.
Mientras la planta está viva, la proporción 14C/12C no varía, es cuando el
organismo muere cuando se pone en marcha el reloj radiométrico.
El inconveniente de este método es que su periodo de desintegración es
de 5730 años, por lo que sólo se pueden datar sucesos muy recientes.
Dos factores a tener en cuenta que pueden alterar los datos obtenidos y
así disminuir la fiabilidad del método son la actividad solar, que puede
provocar variaciones en la concentración de 14C en la atmósfera, y las
variaciones en el campo magnético terrestre, que al aumentar la
intensidad de los vientos solares hacia los polos disminuye la cantidad en
la atmósfera de 14C.
Por último, se encuentran las series de Uranio.
El Uranio es útil para datar restos de entre 50-40 ka.
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El método más empleado con este elemento es el método de las
trayectorias o de huellas de fisión nuclear en cristales, que se producen
cuando el núcleo se rompe y se liberan partículas de alta energía. Lo
medido en esta técnica no es la cantidad de isótopo transformado sino los
efectos causados en el mineral, ya que la emisión de partículas durante la
desintegración radiactiva produce marcas en la red cristalina del mineral.
Si la radiación emitida son partículas β, las marcas no son perceptibles,
pero si las partículas son α se pueden observar arañazos al atacar el
mineral con ácido al microscopio.
El isótopo más empleado es el 238U, ya que es el que emite las partículas α
con mayor intensidad.
La datación se obtiene a partir de la relación de la densidad de huellas con
la concentración de uranio en el mineral.
3.2.2. Métodos químicos.
Destacan los basados en la composición de los fósiles. Se ha descubierto
que cuanto más antiguo sean los restos, más cantidad de Flúor presentan.
Las técnicas empleadas son:
Racemización de aminoácidos: Se basa en el carácter levógiro de
los Aas, aunque cuando el organismo muere, sus proteínas se
degradan y la polarización se modifica gradualmente hasta alcanzar
un 50% levógiro y otro 50% dextrógiro. La velocidad del proceso
varía con la humedad, por lo que sólo se puede emplear esta
técnica en depósitos cársticos en cuevas cerradas herméticamente.
Termoluminiscencia: Se emplea cuando los sedimentos se ven
expuestos a la luz solar o se calientan, de decoloran y atrapan
electrones. Al enterrar el sedimento, los electrones se liberan
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progresivamente, pudiéndose medir la luz emitida por los
electrones residuales y estimar el tiempo transcurrido desde que los
sedimentos se enterraron una vez calculada la dosis lumínica
original.
Resonancia de las revoluciones de los electrones o resonancia de
espín: Se mide directamente sobre los electrones atrapados y se
puede usar para datar materiales biológicos.
3.3. Datación relativa.
La datación relativa consiste en situar cronológicamente los sucesos en
relación con otros. Los acontecimientos de referencia no ocurren a
intervalos regulares, por lo que le resultado es una escala de tiempo
conformada por intervalos de distinta duración, cuyos límites vendrán
marcados por los eventos de referencia.
Cada intervalo se caracteriza por un nombre, las etapas de la historia de la
tierra son los siguientes:
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Este tipo de datación se basa esencialmente en el principio de la
superposición de los estratos y comenzó a utilizarse desde el siglo XVII de
manera esporádica.
Los sucesos de referencia que se emplean tienen que ser fácilmente
detectables en las rocas, y pueden ser principalmente de dos tipos:
Acontecimientos paleontológicos: El más común son las apariciones
y las desapariciones de especies o grupos de organismos.
Acontecimientos físicos y fisicoquímicos: El más empleado fueron
las discordancias estratigráficas, porque se observan con facilidad
en el terreno y además, representan un suceso importante en
relación con las etapas orogénicas, de forma que afecten a una
región amplia.
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3.3.1. Unidades de datación relativa.
Pueden ser de varios tipos;
1. Unidades geocronológicas. El tiempo se divide en intervalos de
diferente duración, ya que los acontecimientos elegidos no ocurren
regularmente. Los intervalos se caracterizan por un nombre, y cada
uno representa una unidad geocronológica.
Las unidades geocronológicas ordenadas de mayor a menor son;
Eones, Eras, Períodos, Épocas y Edades.
2. Unidades cronoestratigráficas. Cada unidad geocronológica estará
representada en el terreno por el conjunto de materiales que se
formaron en dicha unidad de tiempo y es en ellos donde podemos
detectar tanto los acontecimientos de referencia como cualquier
otro suceso geológico. Estos conjuntos de materiales constituyen las
unidades cronoestratigráficas.
Las unidades cronoestratigráficas están jerarquizadas en
Eonotemas, Eratemas, Sistemas, Series y Pisos. Cada piso (unidad de
menor rango), tiene una sección estratigráfica denominada
estratotipo. Éste se define como un afloramiento en un
determinado lugar que reúne excepcionales condiciones de
observación y que debe de ser perfectamente localizable.
3. Unidades bioestratigráficas. Son un conjunto de materiales
caracterizados por criterios paleontológicos que se basan en los
principios de la sucesión orgánica y la correlación estratigráfica. Son
las unidades de datación relativa más empleadas.
Los eventos bioestratográficos más empleados son las apariciones y
desapariciones de especies o grupos de organismos.
Las unidades bioestratigráficas se denominan zonas (o biozonas) y
se caracterizan por un evento paleontológico en su base y otro en el
techo. A menudo, las zonas se pueden dividir en subzonas.
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Los organismos que posean un mayor potencial de fosilización, que
sean abundantes, que tengan una amplia distribución
paleogeográfica y que sean fáciles de reconocer serán los mejores
para establecer una bioestratigrafía.
4. Unidades magnetoestratigráficas. Son un conjunto de materiales
caracterizados por una determinada polaridad magnética.
L a tierra gracias a su núcleo posee un campo magnético que genera
unas líneas de fuerza que se extienden hacia el espacio exterior,
constituyendo el campo magnético externo.
Actualmente el campo magnético se encuentra orientado
coincidiendo el N y S geográfico con el magnético, aunque en el
pasado no ocurría lo mismo.
Las unidades de este sistema son los crones, y corresponden a
intervalos de tiempo donde hay un claro predominio de una
polaridad concreta, positiva o negativa.
En los últimos tres millones de años se distinguen tres crones
consecutivos; desde hace 0.78Ma hasta la actualidad el cron de
Bruhes (polaridad positiva), desde 0.78 a 2.58 Ma el cron de
Matuyama (polaridad negativa) y el cron Gauss que alcanza los 3.58
Ma (polaridad positiva).
3.3.2. Estadios isotópicos.
Para la cronología del cuaternario se emplean las relaciones isotópicas
entre determinados isótopos estables.
La más emplead es la que estudia los cambio paleoclimáticos, y es 18O/16º.
Esta relación está relacionada con las glaciaciones , ya que el hielo
acumulado en los casquetes polares retienen proporcionalmente más 16º
que 18º, y por lo tanto, las relación isotópica en las aguas oceánicas y
continentales suben durante los periodos glaciares.
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La medición se realiza en los caparazones de organismos fósiles.
De cada mil moléculas de agua del mar, sólo dos presentan 18O, por lo que
cuando el agua se evapora las moléculas que portan el 16O lo hacen con
mayor facilidad al a pesar menos, por lo que las moléculas de 18O tienden
a condensarse antes y precipitar a los océanos, siendo las áreas emergidas
las más empobrecidas en el 18O. En condiciones normales el agua de la
lluvia retorna por los ríos y océanos y se restablece el equilibrio isotópico,
pero durante una glaciación los casquetes polares avanzan, reteniendo
más agua en forma de hielo, lo que provoca un descenso del nivel
eustático y un enriquecimiento del agua del mar en el isótopo 18O.
Estos cambios son registrados en los sondeos glaciares o en los
caparazones carbonatados de los organismos.
Para explicar los periodos glaciares del Pleistoceno se han propuestos
varias hipótesis, aunque la teoría de Milankovitch es la más destacada.
La teoría de Milankovitch se basa en tres puntos:
Oblicuidad del eje: El eje de rotación de la tierra esta desviado
actualmente 23.5º respecto a un eje perpendicular al plano de la
elíptica, pero su inclinación fluctúa entre 22.5º y 24.5º en un
periodo de 41ka. Las variaciones se producen porque el plano de la
órbita lunar no coincide con la eclíptica y su atracción gravitatoria
varia en el tiempo. Cuanto mayor sea la inclinación del eje, las
estaciones en ambos hemisferios resultaran más extremas.
Excentricidad orbital: La forma de la órbita terrestre se estira
debido a la atracción de otros planetas, haciéndose la elipse más
excéntrica y retornando después a una forma más circular. Al
aumentar la excentricidad también aumenta la distancia entre la
tierra y el sol en sus puntos más lejano y cercano, moderando las
estaciones en un hemisferio e intensificándose en el otro.
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Precesión de los equinoccios: Esta fluctuación astronómica deriva
de la interacción entre los efectos de la inclinación y la
excentricidad, determinando si ambas se oponen o colaboran entre
sí para reforzar la estacionalidad y determinar cambios en la
duración de las propias estaciones.
