En este capítulo se muestra cómo los geólogos geoquímicos utilizan las técnicas analíticas químicas para determinar la edad de la Tierra, predecir las erupciones volcánicas, demostrar que un cuerpo extraterrestre colisionó con la Tierra hace 65 Ma, observar los cambios atmosféricos durante millones de años y documentar los daños producidos en la superficie de la Tierra por la lluvia ácida y la contaminación.
El conocimiento del planeta Tierra a través de la geoquímica
El término geoquímica fue utilizado por primera vez por el químico suizo Schönbein (1799-1868), en 1838. A partir de su etimología se puede adivinar que el campo de la geoquímica resulta, de algún modo, de la unión de la geología y la química. Y así resulta ser, pero ¿cómo se combinan la geología y la química en la geoquímica? O ¿cuál es la relación entre ellas? Tal vez, la mejor explicación sea que la geoquímica utiliza las herramientas de la química para resolver problemas geológicos; es decir, los geólogos utilizan la química para conocer la Tierra y su funcionamiento.
La Tierra es parte de una familia de cuerpos celestes, nuestro sistema solar, que se formaron simultáneamente y están estrechamente relacionados. Por ello, el ámbito de la geoquímica se extiende más allá de la Tierra para incluir también el sistema solar. Las metas de la geoquímica son, por tanto, semejantes a las de otros campos de las ciencias de la Tierra; se difiere simplemente en el enfoque. Sin embargo, aunque el geoquímico tiene muchos aspectos en común con el químico, sus metas son muy diferentes. Por ejemplo, las metas del geoquímico no son elucidar la naturaleza de los enlaces químicos o sintetizar nuevos compuestos, aunque estos estudios son a menudo de interés y uso en geoquímica. Aunque la geoquímica se considera una subdisciplina dentro las ciencias de la Tierra, abarca una temática amplísima. Resulta ser tan amplia que ningún geoquímico llega realmente a dominarla completamente, especializándose generalmente en uno o varios aspectos tales como la química de la atmósfera, la termodinámica geoquímica, la geoquímica isotópica, la química marina, la geoquímica de elementos trazas, la química de los suelos, etc.
El desarrollo de la geoquímica ha tenido lugar en la segunda mitad del siglo XX. Durante estos últimos 50 años, las ciencias de la Tierra han estado dominadas por una aproximación cuantitativa, que ha originado un conocimiento de nuestro planeta muy superior al existente anteriormente. La contribución de la geoquímica en este avance ha sido enorme. Gran parte del actual conocimiento y teorías de formación de la Tierra y el sistema solar proceden de la investigación geoquímica de los meteoritos. Mediante la geoquímica se ha podido cuantificar la escala de tiempo geológico, determinar la temperatura y profundidad de formación de los magmas y reconocer la existencia de plumas en el manto terrestre. Con la geoquímica se ha demostrado que los sedimentos depositados encima de la corteza oceánica pueden ser subducidos e introducidos en el manto, al igual que resulta posible conocer las temperaturas y presiones a las cuales se equilibran los variados tipos de rocas metamórficas, para después utilizar esa información, por ejemplo, en la determinación del movimiento en el pasado de grandes zonas de falla. A partir de la geoquímica se puede conocer la magnitud y velocidad del levantamiento y erosión de las cadenas de montañas en zonas de colisión continental. También mediante la geoquímica se pueden conocer los procesos de formación de la corteza terrestre, el momento de diferenciación de la atmósfera y su posterior evolución, así como los movimientos convectivos que experimenta el manto y que son el motor de la dinámica de placas. Desde la geoquímica se pueden conocer igualmente las bajas temperaturas que experimentó la superficie de la Tierra durante las pasadas glaciaciones, así como las causas que las originaron. Las evidencias de vida más anti- guas, de hace unos 3.800 Ma, no proceden de restos fosilizados de organismos, sino de las trazas químicas de su actividad vital. Igualmente, las débiles evidencias de la existencia de vida en Marte, hace aproximadamente el mismo intervalo de tiempo, son también en gran parte químicas. Por lo tanto, no nos debe sorprender que instrumentos de análisis químico de materiales geológicos sean la parte clave de las sondas enviadas a otros cuerpos celestes, como Venus, Marte y Júpiter.
La geoquímica se sitúa también en el núcleo conceptual de las disciplinas concernientes al medio ambiente. Por ello, problemas ambientales como la lluvia ácida, el agujero de ozono, el efecto invernadero, el calentamiento global y la contaminación del agua y suelo son, en buena parte, problemas geoquímicos. La propia definición de estos problemas requiere un conocimiento de sus aspectos geoquímicos. Análogamente, gran parte de los recursos no renovables, tales como los yacimientos de petróleo y las mineralizaciones de metales, se formaron mediante procesos geoquímicos. Cada vez más, la localización de nuevas fuentes de estos recursos requiere una aproximación estratégica desde la geoquímica. La localización e integridad de los espacios geológicos destinados para el almacenamiento de residuos, en particular los radiactivos, está también condicionada por la geoquímica. En síntesis, cada uno de los aspectos de las ciencias de la Tierra ha experimentado avances muy importantes utilizando la geoquímica.
Como la mayor parte de las ciencias, la geoquímica está en la actualidad muy condicionada por los avances tecnológicos. La tecnología ha proporcionado modernas herramientas geoquímicas que permiten estudiar hoy la Tierra de una forma impensable para los geólogos pioneros. En pocos minutos, la microsonda electrónica permite analizar granos minerales a la escala de micras y el microscopio electrónico ver el mismo mineral casi a la escala atómica (figura 1). Técnicas analíticas tales como la difracción de rayos X, la resonancia magnética nuclear y la espectroscopía Raman e infrarroja permiten examinar el ordenamiento y enlaces atómicos presentes en los materiales geológicos. Con ayuda de los espectrómetros de masas se puede determinar la edad de las rocas, o las paleotemperaturas de los océanos en el pasado geológico. La microsonda iónica posibilita incluso obtener la edad de partes de minerales a la escala de micras. Las técnicas analíticas como la fluorescencia de rayos X y la espectrometría de plasma con acopla- miento inductivo permiten obtener análisis de elementos mayores —trazas y tierras raras de rocas—, en minutos, los cuales duraban días con las técnicas “clásicas” (figura 2). Todos estos análisis se obtienen hoy con una gran precisión y exactitud, impensable hace sólo un par de décadas. Los nuevos instrumentos y técnicas analíticas actualmente en
desarrollo, prometen incluso una mayor sensibilidad, velocidad, precisión y exactitud. Las actuales computadoras, con gigahertzios de potencia, gigas y terabytes de memo- ria, y potentes herramientas gráficas, pueden realizar en pocos segundos cálculos ter- modinámicos que podrían haber costado hacer toda una vida. Considerados en conjunto, todos estos avances instrumentales y tecnológicos van a permitir al geoquímico aumentar en gran medida el conocimiento de la Tierra y su entorno cósmico.
Las aportaciones de la geoquímica
Las aportaciones de la geoquímica son claves en diversos campos de la economía, la salud pública y el medio ambiente. Cuando el geólogo recolecta una muestra de materiales geológicos como rocas, suelos, sedimentos, aguas y otros —con vistas a un estudio geoquímico—, normalmente no se pregunta si algún elemento químico está presente en concreto, ya que virtualmente va a contener todos los elementos naturales, en una cierta cantidad. Las cuestiones que busca resolver mediante el estudio geoquímico de la muestra son, sin embargo, si contiene un elemento químico específico en una concentración suficiente para su explotación minera, peligrosa para la salud humana, o si se combina formando una especie química perjudicial para el medio ambiente. El geólogo obtiene respuestas a estas cuestiones utilizando los resultados del análisis geoquímico de muestras de rocas apropiadas y representativas. Sin embargo, para resolver determinados problemas, el geólogo puede necesitar obtener sofisticados análisis de componentes químicos presentes en concentraciones muy bajas y en muestras extremadamente pequeñas, tales como isótopos radiactivos naturales en minerales cristalizados hace varios miles de millones años, fluidos asociados a mineralizaciones incluidos dentro de minerales formados hace 300 Ma o burbujas de aire de algunos cientos de miles de años de antigüedad preservadas en los glaciares polares. Debido a que algunos elementos están presentes en concentraciones extraordinariamente bajas, éstos deben ser analizados mediante técnicas que posean límites de detección incluso más bajos, lo cual implica tener un excelente control de calidad en los laboratorios y la comparación de los resultados de los análisis con materiales estándar de referencia. Las actuales técnicas analíticas geoquímicas permiten determinar la presencia de virtual- mente cualquier elemento químico a concentraciones del orden de partes por millón (ppm), billón (ppb) e incluso trillón (ppt).
Las principales aportaciones de la geoquímica son fundamentalmente dos: el conocimiento geológico de la Tierra y la distribución en ella de los elementos químicos. Mediante la geoquímica, los estudios geológicos han permitido conocer la historia de la Tierra —que ha quedado registrada en la composición química de las rocas que la forman—, calcular una edad absoluta para la Tierra de unos 4.600 Ma e incluso proponer la existencia en el pasado geológico de grandes eventos catastróficos procedentes del espacio. El conocimiento de la Tierra también procede del estudio de los procesos geológicos internos, como las erupciones volcánicas —cuyas condiciones físico-químicas antes y después de la erupción quedan detalladamente registradas en la composición de las partículas de cenizas emitidas y en los cristales presentes en el magma solidificado—. La geoquímica juega también un papel clave en el conocimiento de la formación de los depósitos minerales metálicos y en la acumulación de petróleo y gas y, por tanto, en la definición de estrategias para su exploración. De particular importancia aquí es el análisis geoquímico de los pequeños volúmenes de fluidos y gases fósiles, presentes como inclusiones en los minerales de las rocas.
La geoquímica también aporta datos fundamentales en el conocimiento medioambiental de la Tierra, en particular sobre los cambios globales ocurridos en el pasado geológico. Los cambios en el nivel del mar, la actividad solar e incluso —según algunos astrofísicos— las señales procedentes de supernovas muy distantes, han quedado registrados en los glaciares de hielo de la Antártida. La recopilación y estudio de este registro helado permite evaluar los cambios actuales en la atmósfera y predecir futuras tendencias. Las investigaciones de los gases retenidos en la nieve antes de convertirse por compactación en hielo, proporcionan una detallada información de la atmósfera en el pasado. Al analizar muestras procedentes de sondeos continuos de los glaciares se obtienen datos a lo largo de un intervalo específico de tiempo. Estos datos proporcionan una valiosa información sobre el tipo de clima y las fuentes de la humedad en el pasado, el variable espesor en el tiempo de la capa de hielo, la frecuencia y magnitud de los sucesos naturales, la actividad biológica en la superficie del océano y —producida más recientemente—, los niveles de contaminación humana.
Los geólogos utilizan las técnicas analíticas químicas para evaluar los daños producidos por la contaminación en la superficie de la Tierra, a la vez que ayudan a su prevención mediante la implantación de soluciones que permitan reducirla. Particularmente importantes aquí son las aportaciones del geólogo en el control químico de las aguas efluentes de áreas afectadas por explotaciones mineras, o de la degradación del patrimonio monumental que ocasiona la denominada lluvia ácida.
También en la reducción de emisiones de sulfuros y dióxidos procedentes de las centra- les térmicas de carbón, determinando para su explotación selectiva aquellos yacimientos de carbón que producirán una menor contaminación. La determinación de estas áreas requiere analizar previamente el carbón a explotar, seleccionando los de menor concentración de cenizas, sulfuros y otros elementos tóxicos.
El conocimiento de la distribución de elementos químicos en la superficie de la Tierra permite evaluar los recursos naturales presentes en un determinado territorio. Esta información es, por ejemplo, aportada por los mapas resultantes de la geoquímica de sedimentos a lo largo de la red de drenaje, utilizados en la exploración regional de los recursos minerales. A escala local, la geoquímica permite detectar la existencia en el subsuelo de yacimientos minerales, a partir de la distribución cartográfica o espacial de ciertos elementos químicos relacionados con la mineralización, que son transportados disueltos en concentraciones muy bajas en las aguas subterráneas o fijados en otros minerales.
Los datos geoquímicos obtenidos en el marco de diversos programas científicos y proyectos técnicos, proporcionan la base para la construcción de las bases de datos geoquímicas por los organismos públicos con competencias geológicas y medioambientales. Estas bases de datos representan el conocimiento geoquímico de un territorio, el cual puede ser usado en múltiples aplicaciones relacionadas con la investigación, los recursos naturales, la salud pública y el medio ambiente. La elaboración de los mapas de la contaminación en los suelos —cuya fuente puede ser tanto natural como industrial—, posee una especial trascendencia en la seguridad y la salud pública.
Los clientes del geólogo geoquímico
Generalmente, en el marco de instituciones públicas el geólogo geoquímico estudia y proporciona soluciones a cuestiones concernientes a nuestro planeta Tierra, explora y evalúa los recursos minerales y construye bases de datos geoquímicos con el fin de mejorar la gestión y uso del territorio. Estos datos son aplicados por los centros de investigación, los órganos de la administración pública, la industria y las empresas privadas, para resolver los problemas e intereses de orden económico, social y ambiental.
Algunos ejemplos de estudios e investigaciones geoquímicas
Procesos geológicos: el volcanismo
A las altas temperaturas del interior de la Tierra las rocas pueden fundir formando el magma que, cuando encuentra un camino hacia la superficie, erupciona y forma los volcanes. El grado de explosividad de una erupción depende principalmente de la composición química del magma. De particular importancia son las relaciones entre la proporción de sílice (SiO2), que controla la viscosidad del magma, y los componentes volátiles, como el agua y el dióxido de carbón y de azufre (CO2 y SO2). Los magmas pobres en sílice liberan normalmente los gases sin explosividad y dan lugar a coladas de lava que se mueven lentamente, como los volcanes de Hawai. Aunque estas erupciones pueden ser destructivas y ocasionar pérdidas materiales en edificios e infraestructuras, raramente producen pérdidas humanas.
Bajo ciertas condiciones, sin embargo, los magmas y las rocas encajantes son sometidos a elevadas presiones por el rápido desprendimiento de volátiles, ocasionando erupciones explosivas de gran poder devastador, como la sucedida en el volcán Vesubio, cerca de Nápoles, que destruyó las ciudades romanas de Pompeya y Herculano en el año 79. Una forma de medir los geólogos la energía liberada durante una erupción es el índice de explosividad volcánica, que gradúa de 1 a 5 y, entre otros parámetros, se basa en el volumen de material expulsado. Un valor máximo de 5 equivale a una explosividad muy grande, por ejemplo la erupción en 1991 del volcán Pinatubo en Filipinas (figura 3), que emitió unos 7 kilómetros cúbicos de cenizas y produjo 932 víctimas. Sin embargo, se trata de una erupción relativamente pequeña si se compara con las gran- des erupciones de magmas silíceos ricos en volátiles, ocurridas a lo largo de la historia de la Tierra, como las registradas en el Valle (Nuevo México) o Yellowstone (EE UU), en las que se llegaron a emitir más de 2.500 kilómetros cúbicos de piroclastos riolíticos en un único flujo.
El análisis químico del contenido de elementos mayores en los magmas es uno de los primeros datos a obtener en el estudio de los volcanes y su riesgo (figura 4). Para una determinada área, el análisis geoquímico de las rocas volcánicas emitidas previamente permite predecir el estilo y explosividad de futuras erupciones de composición similar. Un ejemplo de estas investigaciones son las realizadas en el volcán activo del Monte de Santa Elena (EE UU) por el USGS, en el que una potente y compleja secuencia de rocas volcánicas ha sido depositada en sucesivas erupciones espaciadas unos 100 años. Los geólogos geoquímicos han reconstruido la historia eruptiva del volcán mediante los estudios de campo y el análisis de estas rocas, demostrando que la actividad eruptiva del volcán está separada por largos periodos de calma. Como en otros volcanes, existen cambios sistemáticos en la composición de los elementos mayores y trazas de los magmas emitidos con el tiempo. La erupción más reciente que tuvo lugar en 1980 y pro- dujo 57 víctimas como consecuencia de la explosión lateral del cono, además de avalanchas de derrubios y coladas de barro, parece ser el final de un ciclo químico que comenzó hace unos 500 años. Con esta información el geólogo puede predecir el estilo, frecuencia y el momento previo de una erupción futura. Las lavas o cenizas volcánicas emitidas en una nueva erupción pueden ser rápidamente analizadas químicamente y los resultados evaluados desde una perspectiva histórica. Sin embargo, aunque los cambios sistemáticos en la composición química de los magmas proporcionan una gran cantidad de información sobre el comportamiento de un volcán, todavía se necesita conocer mucho mejor los procesos relacionados con la formación del magma en niveles profundos de la Tierra y las causas que desencadenan su erupción.
La catástrofe vino del espacio
atómicas.
Uno de los misterios que encierra la historia de la Tierra consiste en una capa de arcilla que se depositó encima de toda su superficie hace unos 65 Ma. La capa marca el límite K-T de fin del sistema Cretácico e inicio de la era Terciaria y coincide con el momento en el que se extinguió aproximadamente la mitad de las formas de vida en la Tierra, incluidas los dinosaurios. A principios de la pasada década, el científico Laureado al Nobel, Luis Álvarez, y sus colaboradores, des- cubrieron altas concentraciones del elemento iridio mientras analizaban muestras de un cen- tímetro de espesor del límite K-T (figura 5 arri- ba). La coincidencia de los altos niveles de iri- dio con el clásico evento de extinción masiva del fin del Cretácico, les condujo a establecer una teoría para relacionar ambas observaciones. Propusieron que un asteroide de entre 6 y 14 kilómetros de diámetro impactó con la Tierra y, como consecuencia, enormes cantidades de material pulverizado fueron lanzadas a la atmósfera. En su investigación especularon que las cenizas emitidas impidieron la llegada de los rayos del Sol a la superficie y causaron una gran catástrofe medioambiental.
Investigaciones posteriores realizadas mediante sofisticadas técnicas de espectrometría de masas ICP por ablación láser, aplica- das a las 80 μm de espesor (el diámetro de un cabello) de la capa de arcillas del límite K-T han permitido obtener nuevos datos. El LA-ICP-MS tiene sensibilidad para detectar todos los elementos químicos, en particular los platinoides que deberían aparecer en un impacto de asteroide. La resolución de la técnica permitió analizar pequeñas bandas del horizonte K-T (figura 5 abajo), obteniéndose justo en dicho nivel altas concentraciones de platinoides (>1 ppm), varios órdenes de magnitud superiores al normal. La mayor concentración de platinoides en el límite K-T evidencia también la validez de la teoría de que un cuerpo extraterrestre colisionó con la Tierra hace unos 65 Ma.
La geoquímica en la prospección de recursos minerales
Los metales son esenciales en la civilización actual, que invierte enormes cantidades de recursos en la localización de yacimientos de la mayoría de los elementos de la tabla periódica. En el mundo actual, por ejemplo, se consumen 72.000 toneladas de pasta amarilla de óxido de uranio al año y los países occidentales utilizan 1/4 de tonelada de acero por persona y año. En 2007, la producción anual de acero mundial excedió los 1.000 millones de toneladas y, en los próximos años, va a ser esencial localizar aquellas rocas que contengan una mayor concentración de Sc, Wo, Nb, Ta, etc.
En este contexto, las técnicas geoquímicas resultan ser claves en el conocimiento de la formación de los depósitos minerales y en su exploración de cara a su localización y pos- terior aprovechamiento industrial. Al determinar la composición química de cualquier roca de la superficie terrestre se obtienen pequeñas cantidades de elementos tales como oro, plata, platino, mercurio, cobre, cobalto, níquel, cromo, plomo, cinc, molibdeno, estaño y tungsteno. Sin embargo, ciertos procesos naturales poseen la capacidad de concentrar y purificar algunos elementos metálicos, llegando a formarse depósitos minerales que contienen entre 1.000 y 10.000 veces las cantidades de ellos presentes en las rocas ordinarias. En principio, cualquier proceso geológico que tiene lugar cerca de la superficie de la Tierra puede contribuir a la formación de un depósito mineral: la acción de los magmas fundidos; las altas temperaturas y presiones que forman las rocas metamórficas; los fluidos o vapores muy calientes; la erosión, transporte y sedimentación de las aguas superficiales; la climatología; la actividad biológica, etc. Los geólogos usan los principios de la química para tratar de comprender cómo estos procesos movilizan elementos desde las rocas normales, los transportan y los concentran para formar un yacimiento mineral. Los geólogos han desarrollado modelos que describen las características físicas y la composición química de cada tipo de depósito mineral, así como sus relaciones con el medio ambiente geológico, de forma análoga a las investigaciones que realizan los biólogos sobre la adaptación de un organismo a un particular nicho ecológico.
Muy probablemente, los depósitos minerales aflorantes en la superficie de la Tierra, más favorables para su explotación, ya han sido descubiertos. Por lo tanto, los nuevos yacimientos minerales a encontrar no son observables directamente. En estas condiciones, los geólogos han tenido que mejorar su conocimiento y desarrollar técnicas cada vez más sofisticadas para detectar los yacimientos ocultos en profundidad. Para localizarlos, se utilizan principalmente técnicas basadas en el modelo de formación de la mineralización y de detección de la aureola de dispersión desarrollada en el entorno del yacimiento. Siguiendo la analogía del trabajo de campo del biólogo, el examen de los restos de piel, pelo y forma de la cola de un animal enterrado le permiten deducir que se trata del apéndice de un mamífero. Mediante avanzados análisis del ADN del tejido, el biólogo podría probar que la cola pertenece a una especie determinada de elefante y —en base a sus dimensiones— predecir fácilmente que el resto del cuerpo debería aparecer a un metro más de profundidad.
Muchos modelos de depósitos minerales utilizados por los geólogos no son tan avanza- dos como los utilizados por los biólogos para los elefantes, aunque se aproximan. Algunos yacimientos de cobre y molibdeno situados a profundidades de unos 500-1000 metros han sido descubiertos mediante afloramientos de sólo unos metros de longitud de ciertas rocas en superficie (figura 6 izquierda). Estos afloramientos consisten en chimeneas o diques subverticales de rocas brechificadas, que se extienden varios cientos de metros por encima del cuerpo principal de pórfido mineralizado. Debido a que no todos los depósitos de pórfidos contienen metales de interés económico, el geólogo debe estudiar los afloramientos en el campo, seleccionar muestras para analizar geoquímicamente, determinar así los metales que el pórfido puede contener y evaluar si merece la pena realizar sondeos.
Los yacimientos minerales cubiertos por algún recubrimiento sedimentario reciente resultan aun más difíciles de localizar, ya que están ocultos por rocas no relacionadas genética- mente. Sin embargo, estos yacimientos pueden liberar pequeñas cantidades de elementos relacionados con la mineralización, que son transportados y fijados en las rocas del recubrimiento. Las técnicas analíticas geoquímicas de alta resolución permiten detectar la presencia de estos elementos, aunque es necesario separar los movilizados desde el yacimiento mineral y los existentes en el recubrimiento. Para ello se utilizan actualmente dos métodos: el análisis de las aguas subterráneas y el estudio de los minerales capaces de fijar en su estructura los elementos movilizados desde la mineralización.
Las muestras de aguas subterráneas recolectadas en pozos, fuentes y sondeos pueden proporcionar pistas de la presencia de yacimientos minerales en profundidad. El flujo del agua subterránea es muy lento, oscilando de casi cero a unos 25 metros al año. Los flujos lentos dan lugar a un mayor tiempo de contacto del agua subterránea con las rocas y un posible depósito de mineral, permitiendo que pequeñas cantidades de meta- les sean disueltas y movilizadas. Para detectar oro u otros elementos en los halos o plu- mas de dispersión formados por el flujo del agua subterránea (figura 6 derecha) se requieren técnicas analíticas sumamente sensibles, que detecten concentraciones del orden de 1 ppb —e incluso menores— como la espectroscopía de absorción atómica. El otro método para detectar los elementos movilizados por las aguas subterráneas consiste en estudiar los minerales del recubrimiento que los retienen. Durante el ascenso de las aguas subterráneas a superficie y su evaporación algunos elementos son fijados en ciertos minerales mediante enlace químico. Ordenados según su mayor fuerza de enlace, los minerales capaces de fijar a los elementos procedentes de la mineralización son los silicatos de aluminio hidratados (arcillas), carbonatos secundarios, óxidos de manganeso amorfos, y óxidos/oxi-hidróxidos de hierro. Para liberar los elementos movilizados del mineral anfitrión se utilizan técnicas analíticas de extracción selectiva, las cuales facilitan la distinción de los elementos procedentes de fuentes distintas a las norma- les del recubrimiento. Así, la presencia de un depósito de oro en un mineral específico del recubrimiento puede ser indicada tanto por su presencia directa, como por la de ciertos elementos relacionados como arsénico y antimonio.
Cambios globales en el pasado geológico
Las inclusiones de aire atrapadas en el hielo de los glaciares pueden ser analizadas utilizando técnicas de espectrometría de masas acopladas a un láser de alta energía, permitiendo a los geoquímicos determinar la composición de la atmósfera de la Tierra en el pasado y predecir futuros cambios climáticos. Sin embargo, las muestras de hielo estudiadas sólo cubren los últimos 200.000 años, sin que se haya podido obtener información de épocas más antiguas. Recientemente los científicos han encontrado un nuevo medio donde analizar los niveles de oxígeno de la atmósfera en el pasado: el ámbar. La resina de las coníferas al fosilizar forma el ámbar, con la particularidad de haber podido atrapar insectos, pequeños animales y plantas, que quedan perfectamente preservados para su estudio en la actualidad (figura 7). Otro ejemplo del interés de los científicos por el ámbar estriba en la extracción del ADN de los organismos atrapa- dos en él y que vivieron hace millones de años, tema de la novela y película de ciencia- ficción Parque Jurásico.
El ámbar también preserva pequeñas burbujas de aire atrapadas. El análisis de los gases en estas burbujas muestra que la atmósfera de la Tierra hace 67 Ma era más rica en oxígeno, con un 35 por ciento frente al nivel actual de 21 por ciento. Los análisis efectuados en burbujas de aire en el ámbar de edad cretácica, terciaria y cuaternaria, demuestran que el descenso en el contenido en oxígeno tuvo lugar gradualmente en la transición del Cretácico superior al Terciario inferior. Como este cambio en la composición de la atmósfera terrestre a los 65 Ma tuvo lugar al mismo tiempo que la desaparición de los dinosaurios, algunos investigadores han especulado si tuvo algo que ver en su extinción.
La contaminación
La pérdida del patrimonio monumental por la lluvia ácida
Además de afectar a las personas, la fauna y flora silvestre, la contaminación del aire también afecta a las rocas y suelos. Otro de los problemas que ocasiona, además, es la degradación de edificios y monumentos, especialmente si están construidos por caliza o mármol, es decir, por carbonato cálcico casi puro. La contaminación ocasiona cambios en la acidez del aire y el agua de lluvia, dando lugar a la denominada lluvia ácida, que afecta de dos maneras a las rocas carbonatadas utilizadas como material de construcción u ornamentación. La primera consiste en la acción seca del gas dióxido de azufre, emitido a la atmósfera durante la combustión de los combustibles fósiles. El SO2 atmosférico produce ácido sulfúrico que reacciona con la calcita para formar yeso (figura 8). A medida que se deposita yeso sobre las superficies de la piedra, atrapa partículas y cenizas en suspensión formando pátinas negras que recubren los monumentos. El segundo efecto es la acción húmeda de la lluvia ácida. El agua de lluvia natural es una solución ácida débil y cualquier superficie de rocas carbonatadas está expuesta a una gradual erosión por disolución. Sin embargo, esta erosión es 10 veces mayor en las áreas afectadas por la lluvia ácida, particularmente en las grandes ciudades.
Los efectos de la lluvia ácida en las rocas carbonatadas de los monumentos han sido investigados recientemente utilizando modelos hidrogeoquímicos del proceso de alteración y técnicas analíticas de alta sensibilidad. Estas investigaciones, junto con experimentos realizados en el laboratorio, han permitido establecer que el mármol se erosiona entre 15 y 30 mm al año (espesor algo menor que un cabello), mientras que las calizas son disueltas entre 25 y 45 mm en el mismo intervalo de tiempo. Aproximadamente el 20 por ciento de la erosión está causada por la lluvia ácida y el 80 por ciento restan- te es debido a la solubilidad natural de los carbonatos en el agua de lluvia. Las soluciones planteadas por los geólogos para evitar que la lluvia ácida nos robe poco a poco el patrimonio monumental, también están basadas en el control geoquímico de los procesos de alteración.
La química de las aguas procedentes de explotaciones mineras
Los geólogos utilizan las técnicas analíticas geoquímicas para conocer el grado de contaminación del agua procedente de áreas afectadas por explotaciones mineras. Puede tratarse de agua de calidad similar a la destinada para el consumo humano, o ser muy ácida y contener una alta concentración de metales pesados u otros elementos tóxicos. En general, cuanto mayor es la acidez del agua, menor es su calidad. Desde un punto de vista medioambiental, resulta muy importante caracterizar la química de los efluentes de explotaciones mineras, ya que pueden afectar dramáticamente a los organismos acuáticos y a la calidad del agua recibida por las poblaciones aguas abajo.
Debido a que la química de las muestras de agua puede cambiar rápidamente al manipularla o transportarla, el geoquímico debe medir muchos de sus parámetros rutinaria- mente en el campo. Uno de ellos es la acidez, que se describe mediante el pH de la muestra. Un pH de 2 significa que el agua tiene una alta concentración de iones de hidrógeno y resulta ácida, ya que convencionalmente el agua neutra tiene un pH de 7. El pH de las aguas procedentes del drenaje de las minas de Río Tinto (Huelva), de alto contenido en hierro y sulfuros polimetálicos, está entre 1.8 y 2.4 (figura 9), tratándose de condiciones casi imposibles para la vida y que han interesado a los científicos de la NASA por sus posibles analogías con Marte. Otro de los parámetros medidos in situ es la conductividad eléctrica del agua, ya que constituye una estimación rápida de la cantidad total de sólidos en ella disueltos. Conductividades bajas de entre 10 y 200 micro- siemens/centímetro son indicadoras de una calidad del agua que la hace apta para el consumo humano. Las medidas realizadas en aguas efluentes de explotaciones mineras varían normalmente entre 100 y 38.000 microsiemens/centímetro. La caracterización completa de las muestras de aguas efluentes de minas requiere también un conjunto de medidas instrumentales y analíticas, que son efectuadas en el laboratorio. Estas técnicas son: la cromatografía iónica que se usa para determinar la concentración de fluoru- ros, cloruros, nitratos y sulfatos en muestras acuosas; la espectrometría ICP-AES, que determina la concentración de elementos mayores y trazas; y el ICP-QMS, que se usa para determinar los niveles de ciertos elementos en líquidos por debajo de 1 ppm.
A partir de la composición química de los efluentes de explotaciones mineras, los geoquímicos han establecido que la causa más importante de la alta acidez del agua es la oxidación del mineral pirita catalizada por la acción de las bacterias. Esta acidez estimula también la disolución de otros minerales sulfuros, originando una alta concentración de metales como cobre y zinc. Debido a que resulta difícil o imposible cortar el drenaje procedente de zonas mineras, las soluciones propuestas consisten en disminuir la introducción de elementos tóxicos en el medio ambiente. Principalmente, se consigue impidiendo la acción de las bacterias, que aceleran la oxidación de la pirita, o mediante la extracción de elementos tóxicos neutralizando el drenaje. La experimentación ha demostrado que las áreas de mal drenaje o pantanosas actúan como un filtro al concentrar los metales movilizados en las aguas procedentes de minas. Por lo tanto, la construcción aguas abajo de balsas de decantación permite disminuir la contaminación. Sin embargo, la monitorización continua de los niveles de elementos tóxicos en estos lagos artificiales va a permitir conocer si se reduce con éxito su efecto, así como evitar cual- quier impacto sobre la fauna silvestre que pueda intentar vivir allí.
La cartografía geoquímica de la superficie de la Tierra
La geoquímica de arroyos en la exploración de yacimientos minerales
La posibilidad de descubrir nuevos recursos minerales en la superficie de la Tierra ha ido progresivamente disminuyendo, paralelamente al desarrollo industrial mundial. Sin embargo, la demanda global de recursos minerales continúa creciendo y el reciclado de materiales sólo cubre en la actualidad una parte de nuestras necesidades. Por lo tanto, la obtención de buena parte de los minerales que son vitales para la sociedad está necesariamente basada en la exploración de yacimientos enterrados bajo la superficie.
Como ya ha sido descrito, algunas técnicas de localización de yacimientos están basadas en la identificación en sedimentos o suelos de las aureolas de dispersión de los elementos de la mineralización. Las aureolas de dispersión están definidas por la alta concentración de dichos elementos desarrollada en torno a un yacimiento, pudiendo extenderse largas distancias y, una vez identificada, utilizarse para encontrar la fuente siguiendo la dirección contraria al flujo. El ejemplo más familiar de una aureola es la dispersión de pepitas de oro en la red de drenaje de aguas debajo de un filón mineralizado con oro.
La estrategia actual consiste en la obtención de muestras de sedimentos de arroyos a lo largo de toda la red de drenaje de la zona de estudio, hasta quedar cartográficamente cubierta (figura 10a). El posterior procesado y análisis geoquímico de más de 40 elementos traza, metales e incluso platinoides, puede proporcionar indicios de la presencia de aureolas de dispersión de una gran variedad de tipos de yacimientos, aunque éstas sean poco patentes y situadas a una gran distancia. Para ello, se utilizan técnicas que detecten a niveles de incluso 1 ppb a elementos de interés económico, como oro, plata, cobre, plomo o cinc. Los análisis geoquímicos han de repetirse en todas las mues- tras, que en investigaciones de escala regional suelen ser miles. Para la definición de subáreas de interés minero donde concentrar en una segunda fase las investigaciones, se utilizan técnicas de análisis geoestadístico unio multivariable, que tienen en cuenta no sólo la concentración de un elemento en un punto sino también su correlación espacial respecto a las muestras de su entorno.
Inventario de los recursos minerales de un país
Uno de los objetivos que cubren los servicios geológicos de un país consiste en evaluar la potencialidad y reservas de recursos minerales del territorio, con el fin de obtener un inventario que sirva para establecer su gestión y planificación. También los organismos internacionales que destinan fondos de ayuda para los países en vías de desarrollo pueden contratar estos trabajos a los servicios geológicos de otros países, como es el caso de los Proyectos del Programa SYSMIN financiados por la Unión Europea, realizados por el IGME en la República Dominicana (figura 10b). Una parte de los tra- bajos consiste en el análisis geoquímico de suelos y sedimentos de arroyos, con el fin de determinar la presencia de anomalías locales que motiven la exploración de las compañías mineras.
Estableciendo relaciones entre datos geoquímicos, modelos de depósitos minerales, características geológicas regionales y contexto geodinámico, los geólogos pueden predecir la tipología de los yacimientos minerales presente en un área geográfica determinada. Los resultados de estos trabajos quedan plasmados en mapas geoquímicos, que resultan útiles a las instituciones públicas y privadas en la planificación de los usos del suelo y en la gestión del territorio. También ciertos mapas geoquímicos de meta- les pesados o elementos tóxicos, sirven tanto para la evaluación del recurso como la de su impacto ambiental. En este sentido, el marco regulatorio europeo y estatal específico de las actividades potencialmente contaminantes del suelo y los criterios y estándares para la declaración de suelos contaminados ha quedado establecido con el RD 9/2005. La información geoquímica resulta igualmente de gran importancia en la evaluación de la potencialidad de los recursos minerales de un área frente a otros recursos naturales o usos, como el agua, la agricultura de secano o regadío, la caza, el turismo, la calificación industrial o urbana del suelo o el valor paisajístico, así como la declaración de alguna figura de mayor o menor protección ambiental. En este proceso de evaluación, la información geoquímica proporcionada por los geólogos juega un papel fundamental.
Las fuentes de la contaminación industrial
Los mapas geoquímicos de elementos en los suelos proporcionan información sobre las fuentes naturales o industriales de la contaminación, importantes para la salud pública y la seguridad de la población. En otros casos, sirven para documentar los daños producidos por la actividad contaminante de una industria y la definición de actuaciones para su res- tauración ambiental. Un ejemplo de estos estudios geoquímicos encaminados a la determinación de las fuentes de la contaminación industrial son los realizados en el distrito mine- ro de Almadén, localizado al sur de la provincia de Ciudad Real. El distrito minero de Almadén se extiende unos 300 km2 y constituye la mayor concentración mundial de mercurio, cuya explotación ha dado lugar a un tercio de la producción mundial de este elemento. La minería de mercurio ha sido activa en Almadén desde épocas romanas hasta la actualidad prácticamente sin interrupción, excepto las causadas por desastres mineros (inundaciones, fuegos) o factores externos, como las guerras. Sin embargo, la explotación minera del mercurio durante más de 2.000 años ha dado lugar también a que el distrito de Almadén sea uno de los más contaminados del mundo.
Recientemente, Higueras et al. (2005) han obtenido elevados niveles de mercurio en los sedimentos de arroyos, suelos, agua, plantas y fauna acuática invertebrada del distrito de Almadén, al analizarlos mediante técnicas de espectroscopia de absorción atómica. Las concentraciones obtenidas están por encima de los niveles de calidad europeos establecidos (WHO, 2000) y espacialmente localizados en torno a las minas (San Teodoro, Las Cuevas), instalaciones metalúrgicas abandonadas (Almadenejos), o arroyos muy contaminados. Según estos autores, estos altos niveles de mercurio están ocasionados por una combinación de la dispersión geoquímica natural —derivada de la erosión de los depósitos minerales aflorantes— y de la actividad minero-metalúrgica, debida a la explotación, transporte, apilamiento y tratamiento industrial del cinabrio. La principal conclusión geoquímica del estudio es que ningún sistema ambiental (rocas, suelos, sedimentos, agua, atmósfera, biota) está libre de una fuerte contaminación por mercurio en el distrito de Almadén. De particular importancia son los elevados niveles de mercurio medidos en la localidad de Almadén, por encima de las recomendaciones de WHO (2000) y que afectan a unos 7.000 habitantes. La documentación y alcance de los daños producidos por una actividad extractiva contaminante sirve en este caso como base para su necesaria regeneración ambiental.
La calidad de los análisis
La definición y medición de cantidades desconocidas es una tarea fundamental en el campo de las ciencias de la Tierra y, en general, en cualquier otro campo científico. En geoquímica, las medidas son importantes porque nos advierten de peligros potenciales, como la actividad volcánica o la contaminación ambiental, o nos ayudan a localizar y explotar adecuadamente nuestros recursos minerales, para poder seguir siendo competitivo en una economía hoy globalizada. Desde un punto de vista político, las medidas geoquímicas realizadas en muestras de materiales geológicos se utilizan para la toma de decisiones en temas tan importantes como el control de la calidad del agua para consumo humano, la prevención de la contaminación ambiental, la evaluación de los recursos minerales o la idoneidad de un macizo rocoso para el secuestro de CO2. Por todo ello, resulta fundamental obtener medidas de la mejor calidad analítica posible, que no den lugar a conclusiones erróneas; una equivocación en las medidas puede influir en las decisiones tomadas sobre poner en peligro un hábitat animal, la exploración mineral, o la remediación de un problema ambiental.
Referencias bibliográficas
- Higueras, P.; Oyarzun, R.; Lillo, J.; Sánchez-Hernández, J. C.; Molina, J. A.; Esbría, J. M. y Lorenzo, S. (2005). The Almadén district (Spain): Anatomy of one of the world’s largest Hg-contaminated sites. Science of the Total Environment 356: 112-124.
- Locutora, J.; Bel-Lan, A. y Lopera, E. (2002). Cartografía geoquímica multielemental en sedimentos de corriente en un contexto de arco isla volcánico. Aplicación al análisis de potenciabilidad metalogénica en una área de la República Dominicana. Acta Geológica Hispánica 36: 229-272
- WHO (1989). Mercury-environmental aspects, vol. 86. Environmental Health Criteria, Ginebra.
- WHO (2000). Air quality guidelines for Europe. (2ª ed.) European Series, vol. 91. WHO Regional Publications, 9.
Autor: Javier Escuder Viruete. Investigador del Instituto Geológico y Minero de España (IGME)
Este trabajo pertenece al libro LA PROFESIÓN DE GEÓLOGO (pdf descarga libre)editado por el Ilustre Colegio Oficial de Geólogos en 2009.
