Si el planeta Tierra puede ser considerado como un gigantesco experimento en curso que ha resultado excepcionalmente bueno, pero cuyas notas e informes se han mantenido ocultos criptográficamente, entonces, la geoquímica de isótopos puede ser considerada como el principal instrumento para que los científicos descifren esas notas. A través de la geoquímica de isótopos los científicos no sólo aprenden sobre la historia y el origen de la Tierra, también pueden descubrir las interrelaciones que se han producido por los cambios climáticos del pasado, explorar nuevas fuentes de energía geotérmica, investigar la interacción entre el agua y las rocas subterráneas, e incluso estudiar la transformación biológica de los contaminantes ambientales. Los isótopos son átomos del mismo elemento cuyos núcleos contienen un número idéntico de protones, pero distinto número de neutrones. Debido a esta ligera diferencia en la masa atómica, todos los isótopos de un determinado elemento químico presentan diferencias ligeras que marcan a cada uno con su propia y única firma isotópica. Los isótopos pueden ser físicamente de dos clases: estables e inestables. Un isótopo inestable es radiactivo; a través de la emisión de radiación (particulas alfa y beta y rayos gamma), un radioisótopo se rompe o "decae" hasta que se convierte en un átomo estable específico no radiactivo. La tasa media a la que la desintegración de un radioisótopo tiene lugar se caracteriza por su vida media; este es el tiempo que tardan la mitad de los átomos del isótopo de una muestra en decaer en un producto estable. Dado que la vida media para un elemento determinado nunca cambia, los científicos pueden utilizar la relación de un radioisótopo específico al isótopo estable en el que se descompone, como una especie de cronómetro geológico. Al medir las concentraciones de los isótopos radiactivos y estables seleccionados en las muestras de rocas o minerales, y a continuación comparar la relación entre ellos, los científicos son capaces de calcular cuando se formó la muestra y deducir cómo se formó la misma.
Para medir las concentraciones de isótopos, los científicos utilizan una técnica llamada "espectrometría de masas". Normalmente, una micromuestra de roca se disuelve en ácido y los elementos de interés son separados mediante cromatografía de líquidos. Una cantidad minúscula de un solo elemento, quizá no más de una diezmillonésima de gramo, se deposita en un filamento especial, insertado en un espectrómetro de masas y vaporizado. Los isótopos constituyentes dentro de ese elemento entonces se ionizan y se concentran en un haz que se dirige a través de un campo magnético. Los isótopos son ordenados por el campo magnético de acuerdo a la masa y a continuación son dirigidos a detectores donde se puede determinar su identidad y su concentración.
Dado que casi todos los elementos naturales están presentes en alguna cantidad en todas las cosas, la geoquímica de isótopos es la herramienta ideal para la datación de muestras geológicas. El orden de tiempo que se desea medir determina las proporciones de isótopos que conviene que sean comparadas. Por ejemplo, el más ampliamente utilizado de todos los isótopos es el carbono-14, que decae a nitrógeno-14 estable. Con una vida media de 5.770 años, el carbono-14 es perfecto para la datación de materiales biológicos y artefactos humanos, pero no tan bueno para el seguimiento de la deriva continental.
La datación geológica necesita para su medición radioisótopos de vida media mucho más larga, por ejemplo el uranio-235 y el uranio-238, con 700 millones de años y 4.500 millones años de vida media respectivamente, que es la edad de las rocas más antiguas de la Tierra.
Don DePaolo
Para desarrollar y aplicar las herramientas de la geoquímica de isótopos para el estudio de la historia geológica de la Tierra, el Laboratorio Nacional Lawrence de Berkeley (Berkeley Lab), en colaboración con la Universidad de California en Berkeley, y la National Science Foundation, estableció en 1999 el Centro de Geoquímica Isotópica. Bajo la dirección de Donald DePaolo -un geólogo que tiene actividades conjuntas con el Laboratorio Berkeley como director de la División de Ciencias de la Tierra y la UC Berkeley, donde es profesor de geoquímica en el Departamento de Ciencias Planetarias y de la Tierra-, investigadores del Centro de Geoquímica Isotópica han estudiado todo, desde la deriva de las placas tectónicas a las idas y venidas de las glaciaciones y a la actividad volcánica. Incluso han aplicado la geoquímica de isótopos para el estudio de los meteoritos que predaron la tierra.
"Todo en el estudio de la geoquímica de isótopos está interconectado", dice DePaolo: "Usted puede ver un flujo de lava en Hawaii y comenzar a pensar acerca de cómo las estrellas y los planetas se formaron mil millones de años en el pasado."
En los últimos años, los investigadores del Centro de Geoquímica de isótopos han estado aplicando sus técnicas científicas para estudios relacionados con la energía, como los sistemas geotérmicos y el secuestro de carbono. Por ejemplo, Mack Kennedy, geoquímico del Berkeley Lab, con Matthijs van Soest, de la Universidad Estatal de Arizona, descubrió que una alta proporción de isótopos de helio-tres a helio-cuatro en una muestra de líquido puede indicar el camino a nuevas fuentes de energía geotérmica que no están asociadas con la actividad volcánica, sino con el flujo de fluidos superficiales a través de profundas fracturas en la corteza interior de la tierra. Y mientras la captura y el almacenamiento subterráneo de dióxido de carbono podría ser una vía importante para la mitigación del cambio climático, los científicos necesitan un conocimiento mucho mejor de lo que sucederá con el carbono, una vez enterrado. Los investigadores en el Centro de Geoquímica Isotópica dirigidos por Kennedy y por el geoquímico Mark Conrad han estado estudiando el uso de isótopos de gases nobles como trazadores naturales para el seguimiento del secuestro geológico de dióxido de carbono.
El estudio del secuestro geológico de dióxido de carbono recientemente ha recibido un gran impulso cuando el laboratorio de Berkeley fue nombrado por el Departamento de Energía de EE.UU. para albergar uno de los 46 nuevos Centros de Investigación de la Frontera de la Energía (EFRCs). El Centro para el Control a Nanoescala del CO2 Geológico está programado para recibir 20 millones de dólares en fondos para la investigación que se centrarán principalmente en aprender más acerca de la interacción entre el dióxido de carbono y los poros en el interior de rocas y minerales subterráneos. El objetivo es cubrir de manera eficiente los espacios de poros cuando las rocas bajo tierra se inyectan a alta presión con dióxido de carbono para que las pérdidas no vuelvan a la atmósfera. DePaolo es también el director de este nuevo centro EFRC.
"Los investigadores en el Centro de Nanoescala de Control Geológico de CO2 van a investigar los procesos químicos, físicos y biológicos fundamentales que controlan el movimiento de los fluidos de dióxido de carbono en la tierra", dijo cuando la adjudicación se anunció el pasado abril.
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