Datación K-Ar y las edades de Marte

Naukas

Sol 279 de la misión Curiosity en Marte. 19 de mayo de 2013 del calendario convencional. En la ligera depresión conocida como Yellowknife Bay, inmersa en el cráter Gale, el rover se dispone a perforar en la roca Cumberland un agujero de 1,6 cm de diámetro y 6,6 cm de profundidad. El equipo científico pretende analizar la muestra con la intención de confirmar las evidencias de la primera perforación en John Klein, que apuntaban a la posibilidad de la existencia de agua y vida microbiana en el pasado marciano.

cumberland
Perforación de la roca Cumberland. Image Credit: NASA/JPL-Caltech/MSSS

Con objeto de estimar la edad de formación de Cumberland, el equipo utilizó una técnica de datación conocida como método K-Ar (Potasio-Argón). Era la primera vez que se databa de manera directa una roca de otro planeta.

Aquí abajo en la Tierra, el 1,5% del peso de la corteza es potasio, el séptimo elemento en abundandancia, donde aproximadamente una parte en diez mil corresponde al potasio-40, un isótopo inestable con 19 protones y 21 neutrones en el núcleo. Descubierto en 1935 por Alfred Nier mientras intentaba mejorar la precisión del espectrómetro de masas en la universidad de Harvard, el K-40 tiene una vida media de 1270 millones de años, lo que lo hace un excelente candidato en la datación de procesos geológicos.

En 1937, el físico norteamericano Luis Álvarez — el mismo que junto con su hijo Walter publicó la hipótesis del asteroide que puso fin al mundo del Cretácico y de paso, quizás, a los grandes dinosaurios– descubrió un nuevo mecanismo de desintegración radiactiva producida por la captura de un electrón por parte del núcleo atómico. Álvarez recibiría el premio Nobel en 1968 por este descubrimiento. El mismo año, el físico y filósofo germano Carl Fried­rich von We­izsäc­ker proponía que ese mismo mecanismo intervenía en las extraña desintegración que provocaba que el K-40 se convirtiese en Ar-40.

Según las leyes de la física cuántica, existe cierta probabilidad de que un electrón interior del isótopo K-40 sea capturado por el núcleo y se una a un protón para formar un neutrón emitiendo en el proceso un neutrino, esa partícula casi fantasmal que atraviesa la materia sin apenas interacciones.

El proceso de desintegración del K-40 se produce, sin embargo, mediante una doble vía bastante peculiar. El 89,3% de la veces a través de una desintegración beta en Ca-40 y el 10,7% de la veces por captura electrónica, convirtiéndolo en Ar-40 en un estado excitado que conlleva la emisión de rayos gamma. El hueco del electrón en las capas profundas es además ocupado posteriormente con una emisión de rayos X característica que permite identificar el proceso en el laboratorio. Recordemos, además, que el Ar-40 es un gas noble muy estable que no se combina fácilmente con otros elementos químicos.

Proceso de doble desintegración del K-40
Proceso de doble desintegración del K-40

En nuestro planeta se ha utilizado la misma técnica de datación K-Ar desde hace más de medio siglo para datar rocas de origen volcánico. Fue en 1948 cuando Alfred Nier y su estudiante de doctorado Thomas Aldrich encontraron Argón en una gran variedad de rocas que estaban examinando y propusieron que este hecho podría utilizarse para determinar su antigüedad . La idea básica es relativamente sencilla. El procedimiento para estimar las cantidades, no tanto.

El argón abandona rápidamente la roca fundida. Cuando se solidifica, la desintegración del isótopo del potasio K-40 produce argón que se va acumulando en la roca. Se puede estimar posteriormente la edad de la roca a partir de la cantidad de argón acumulado, conocida la tasa de producción por desintegración radiactiva.

Proceso del origen y la acumulación de Argón en rocas volcánicas. Fuente.
Proceso del origen y la acumulación de Argón en rocas volcánicas. Fuente.

El método original daba errores en torno al 10%. En 1965 se refinó la técnica radiando las muestras en un reactor nuclear que transforman el potasio estable K-39 en el isótopo Ar-39. El método conocido como Ar-40/Ar-39 es mucho más preciso con errores en torno al 1%, aunque a cambio resulte mucho más caro.

Este procedimiento de datación radiactiva ha sido puesto a prueba incluso en erupciones históricas como la del Vesubio del año 79 de nuestra era. En 1997 los investigadores consiguieron deducir una edad de 1925 ± 94 años para aquél trágico final de Pompeya.

También ha sido de gran utilidad a la hora de resolver alguna que otra polémica histórica. En el verano de 1492, Cristóbal Colón escribía en su diario una observación de una posible erupción del volcán Teide en la isla de Tenerife mientras navegaba hacia su legendario descubrimiento de América. El geólogo de la Universidad de Las Palmas Juan Carlos Carracedo utilizó el método radiométrico del carbono-14 para poner fin a la polémica sobre la existencia de esta erupción; Colón probablemente contempló una erupción de otro volcán menor de la isla. Posteriormente el método K-Ar confirmaría un historial de erupciones de este volcán con un último episodios datado en el siglo VIII, muy anterior a la aventura colombina.

El edificio volcánico actual de la isla de Tenerife, El Teide, empezó a formarse hace unos 150,000 años, después del colapso de un edificio anterior y la formación de la Caldera de Las Cañadas. El proceso se repitió anteriormente hasta tres veces, con la formación y colapso o deslizamiento de sendos edificios. El primero de ellos, conocido como edificio Cañadas, probablemente llegó a alcanzar unos 4500 m de altitud y unos 40 km de diámetro hace unos 4 millones de años.

Formación del edificio volcánico central de la Isla de Tenerife. Fuente: Wikipedia
Formación del edificio volcánico central de la Isla de Tenerife. Fuente: Wikipedia

Pensemos que el Teide se eleva actualmente más de 3700 metros sobre el nivel del mar y 7500 metros sobre el lecho oceánico –fruto de un proceso de acumulación de material durante los últimos 12 millones de años–, lo que lo convierte en el tercer volcán más alto del planeta contando desde su base en el fondo oceánico. El edificio Cañadas podría así haber competido con el volcán hawaiano de Mauna Kea, que se levanta más de diez kilómetros sobre su base en el fondo oceánico.

Comparación de los dos grandes volcanes de la Tierra y Marte. Fuente de la imagen.
Comparación de los dos grandes volcanes de la Tierra y Marte. Fuente.

Existen ciertas similitudes entre la vulcanología de Marte y de la Tierra, pero también importantes diferencias que podrían explicar el enorme tamaño de los volcanes marcianos. El Monte Olimpo, –el mayor no sólo de Marte, sino del Sistema Solar– es un volcán de tipo escudo justo del mismo tipo que los volcanes hawaianos. Caracterizados por erupciones tranquilas, coladas basáltica y pendientes suaves, es el tipo más frecuente también en nuestro planeta. Su inmenso tamaño probablemente se deba a la inexistencia de actividad tectónica en Marte, que mantiene fijo el punto caliente durante mucho tiempo. A este hecho hay que añadir una menor gravedad marciana que permite la existencia de una cámara magmática de mayores dimensiones y volúmenes de lava casi inimaginables en nuestro planeta. La edad deducida de las cuentas de cráteres en la zona (realizadas por la Mars Express) podrían indicar actividad volcánica reciente en la zona, hace tan solo unos 2 millones de años.

La historia de formación del Monte Olimpo recuerda mucho a la explicada anteriormente para el Teide, con varias fases de erupciones y colapsos que crearon una estructura de seis calderas en unos 150 millones de años.

Imagen de las seis calderas del Monte Olimpo con sus edades estimadas en millones de años. Fuente
Imagen de las seis calderas del Monte Olimpo con sus edades estimadas en millones de años. Fuente

Regresando al cráter Gale y a la datación realizada por Curiosity de la roca Cumberland, los resultados arrojan una edad entre 3860 y 4560 millones de años. Utilizando además las concentraciones de He-3 y Ne-21, los investigadores lograron un resultado aún más interesante: la roca ha estado expuesta a la superficie tan solo durante los últimos 100 millones de años, apuntando a una actividad geológica reciente del suelo marciano. Este último método saca ventaja del hecho de que las rocas situadas hasta 1 m de profundidad en el suelo marciano están bombardeadas continuamente por rayos cósmicos que producen estos isótopos de gases nobles.

Imagen del Cráter Gale. En el centro se encuentra el Monte Aeolis, un cúmulo de material sedimentario de 5,5 km de altitud cuya capa inferior podría haberse situado sobre un antiguo lago. En rojo el recorrido aproximado del rover Curiosity. Fuente: Wikipedia
Imagen del Cráter Gale. En el centro se encuentra el Monte Aeolis, un cúmulo de material sedimentario de 5,5 km de altitud cuya capa inferior podría haberse situado sobre un antiguo lago. En rojo el recorrido aproximado del rover Curiosity. Fuente: Wikipedia

Desde hace muchos años se estableció como una de las prioridades de las misiones robóticas a Marte la datación de rocas en los lugares apropiados para establecer una cronología absoluta de la geología marciana. Se maneja incluso la posibilidad de traernos rocas marcianas de la era Noeica, el periodo comprendido entre la formación de la superficie marciana y el conocido como bombardeo intenso tardío, hace unos cuatro mil millones de años.

El clima marciano actual es frío y seco y es difícil que en las condiciones de presión y temperatura de la superficie exista agua líquida, encontrándose ésta en depósitos de hielo subterráneo, en los casquetes polares y en minerales hidratados. Pero no siempre parece haber sido así. La evidencia geológica apunta a que el agua corrió en algún momento por su superficie en grandes cantidades, lo que significa que hubo un tiempo en que la atmósfera marciana fue mucho más densa, favoreciendo un clima más cálido y húmedo. Aunque sólo fuese durante pequeños intervalos de unos pocos miles a millones de años, los impactos del bombardeo al que estuvo sometido el planeta pudieron crear las condiciones atmosféricas que permitieron la existencia de grandes cantidades de agua líquida y quizá algunas formas primordiales de vida marciana. El Marte primitivo pudo resemblar la Tierra primigenia que vio nacer las primeras formas de vida. Lo cierto es que no lo sabemos. Y esa datación de rocas es fundamental para ayudarnos a discriminar entre las diferentes hipótesis.

Este post ha sido realizado por Pedro J. Hernández (Ecos del Futuro) y es una colaboración de Naukas con la Cátedra de Cultura Científica de la UPV/EHU.

Referencias:

Carracedo et al. 2003 Dataciones radiométricas (C-14 y K/Ar) del Teide y el Rift Noroeste, Tenerife, Islas Canarias

Catling, David C 2006, Atmospheric Evolution of Mars. In: V. Gornitz (ed.) Encyclopedia of Paleoclimatology and Ancient Environments, Springer, Dordrecht, 2009, pp. 66-75, [preprint]

Catling, David C. 2014 Mars Atmosphere: History and Surface Interactions. In: T. Spohn, D. Breuerm, T. V. Johnson (Eds.), Encyclopedia of the Solar System (3rd Edition), Elsevier, 343-357.

Hałas, Stanisław 2012 From the discovery of radioactivity to the development of the K-Ar dating method Geochronometria. Volume 39, Issue 3, Pages 158–166, ISSN (Online) 1897-1695, DOI:10.2478/s13386-012-0010-8,

Marín, Daniel 2013. El misterioso Marte primitivo, la clave para entender el origen de la vida en la Tierra. Eureka.

Morales, F.A. 2012 El volcán misterioso de Colón y otras andanzas eruptivas. e-ciencia

K-Ar dating. Wikipedia

Moran, Timothy J. (2009) Teaching Radioisotope Dating Using the Geology of the Hawaiian Islands. Journal of Geoscience Education: March 2009, Vol. 57, No. 2, pp. 101-105. doi: http://dx.doi.org/10.5408/1.3544237

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