El Problema:

La espectrometría de masas con acelerador (AMS), una técnica sensible de datación radiométrica, en algunos casos está encontrando cantidades traza de carbono-14 radiactivo en depósitos de carbón, cantidades que parecen indicar una edad de alrededor de 40.000 años. Aunque este resultado sigue siendo demasiado antiguo para encajar en cualquier cronología de creacionismo de la Tierra joven, también parecería representar un problema para la escala de tiempo geológico establecida, ya que el pensamiento convencional sostiene que los depósitos de carbón se formaron en gran medida, si no totalmente, durante el período Carbonífero hace aproximadamente 300 millones de años. Dado que la vida media del carbono-14 es de 5.730 años, cualquier carbono-14 presente en el carbón en el momento de su formación debería haberse desintegrado hace mucho tiempo en productos hijos estables. Por lo tanto, la presencia de ¹⁴C en el carbón es una anomalía que requiere explicación.

La Solución:

Kathleen Hunt de TalkOrigins escribió un correo electrónico a un experto destacado en AMS y datación con ¹⁴C. Los resultados de su correspondencia se reproducen a continuación:

¡Hola, tuve mucha suerte con mi primer correo electrónico a un investigador de AMS. Recibí una respuesta muy informativa de inmediato.

La versión corta: el ¹⁴C en el carbón probablemente se produce de novo por la desintegración radiactiva de la serie de isótopos de uranio-torio que se encuentra naturalmente en las rocas (y que se halla en concentraciones variables en diferentes rocas, de ahí la variación en el contenido de ¹⁴C en diferentes carbones). La investigación está en curso en este mismo momento.

(La hipótesis de los hongos/bacterias [que el ¹⁴C en el carbón es producido por microorganismos modernos que viven allí actualmente --Ed.] también podría ser plausible, pero probablemente solo contribuiría a la inflación de los valores de ¹⁴C si el carbón se encuentra en condiciones cálidas y húmedas expuestas al aire ambiente. También hay evidencia creciente de que las bacterias son omnipresentes en las rocas profundas, pero no está claro que puedan contribuir a los niveles de ¹⁴C. Sin embargo, podrían contribuir al ¹³C.)

La versión mucho más larga:

El fin de semana envié un correo electrónico al Dr. Harry Gove, un experto en el desarrollo del método AMS de datación con ¹⁴C. Lo elegí para molestarle con mis correos porque recientemente había escrito algunos artículos de revisión sobre la técnica AMS en la revista Radiocarbon. (Básicamente hay dos formas de medir ¹⁴C: (1) contar las emisiones radiactivas, o (2) un método más nuevo, basado en separar los diferentes isótopos de carbono por sus diferentes masas mediante espectrometría de masas con acelerador [AMS] y contar los átomos en sí mismos.)

El Dr. Gove respondió al día siguiente, al igual que uno de sus colegas. Por pura coincidencia, actualmente están estudiando esta pregunta exacta. Resulta que el origen y la concentración de ¹⁴C en los combustibles fósiles son importantes para la comunidad de física debido a su relevancia para la detección de neutrinos solares. Parece que uno de los nuevos detectores de neutrinos, el detector Borexino en Italia, funciona detectando pequeños destellos de luz visible producidos por neutrinos que pasan a través de una enorme cuba subterránea de "fluido centelleante". El fluido centelleante está hecho de combustibles fósiles como metano o petróleo (más algunos otros ingredientes), y brilla cuando es golpeado por partículas beta u otros eventos como neutrinos. El detector Borexino tiene 800 toneladas de centelleante. Sin embargo, si hay emisores beta nativos en el fluido mismo, esa desintegración radiactiva natural también producirá destellos de centelleante. (De hecho, ese es el uso más común del centelleante. Uso centelleante todos los días en mi propio trabajo para detectar ¹⁴C y hormonas marcadas con ³H. Pero solo uso un mililitero a la vez - el concepto de 800 toneladas realmente desborda la mente!). Por lo tanto, la comunidad de física se ha interesado en averiguar si y por qué los combustibles fósiles tienen radiactividad nativa. El objetivo es encontrar combustibles fósiles que tengan una relación ¹⁴C/C de 10^-20 o menos; por debajo de eso, la actividad de neutrinos puede ser detectada de manera confiable. El detector Borexino y otros detectores planificados de este tipo deben mantener las emisiones beta nativas por debajo de 1 cuenta por tonelada de fluido por semana para detectar de manera confiable neutrinos solares. (En comparación, mis pequeños frascos de hormonas, aquí en mi laboratorio sobre el suelo, tienen un recuento de fondo de aproximadamente 25 cuentas por minuto para 3,5 mililitros.)

Por lo tanto, los físicos buscan combustibles fósiles que tengan muy poco ¹⁴C. En el curso de este trabajo, han descubierto que los combustibles fósiles varían ampliamente en contenido de ¹⁴C. Algunos no tienen ¹⁴C detectable; otros tienen bastante ¹⁴C. Parece que se correlaciona mejor con el contenido de la radiactividad natural de las rocas que rodean los combustibles fósiles, particularmente los isótopos emisores de neutrones y partículas alfa de la serie uranio-torio. El Dr. Gove y sus colegas me dijeron que creen que la evidencia hasta ahora demuestra que el ¹⁴C en el carbón y otros combustibles fósiles se deriva enteramente de la nueva producción de ¹⁴C por la desintegración radiactiva local de la serie uranio-torio. Muchos estudios verifican que los carbones varían ampliamente en contenido de uranio-torio, y que esto puede resultar en un contenido inflado de ciertos isótopos relevantes para la datación radiométrica (véanse los resúmenes a continuación). Ahora entiendo por qué los combustibles fósiles no se utilizan rutinariamente en la datación radiométrica!

El Dr. Gove y sus colegas están intentando actualmente mejorar la tecnología AMS para poder identificar ciertos combustibles fósiles que tienen un contenido extremadamente bajo de ¹⁴C. Las técnicas actuales de AMS tienen un límite de detección de ¹⁴C/C de aproximadamente 10^-15 (correspondiente a 60.000 años), y la investigación actual del Dr. Gove, este año, está dirigida a mejorar la detectabilidad hasta 10^-18 (110.000 años).

El objetivo final es medir de manera fiable las proporciones de ¹⁴C/C hasta niveles increíblemente bajos de 10^-22 (180.000 años). Esta tecnología de AMS se utilizaría entonces para identificar ciertos aceites que tienen niveles muy bajos de ¹⁴C, y luego esos aceites serían los utilizados en los detectores de neutrinos.

(Esta investigación forma parte del "Proyecto de Carbono Antiguo", financiado por el Programa de Astrofísica de Partículas y Nuclear de la Fundación Nacional de Ciencias de los Estados Unidos y también por el Consejo Canadiense de Investigación en Ciencias Naturales e Ingeniería. El equipo presentará los resultados hasta la fecha este septiembre en la 9ª Conferencia Internacional sobre Espectrometría de Masas por Acelerador en Japón.)

Finalmente, también conseguí una copia del artículo de 1989 de David Lowe titulado Radiocarbon. Es un artículo breve. Un resumen:

(1) el carbón antiguo a menudo tiene un poco más de ¹⁴C de lo esperado - en lugar de tener la relación esperada de ¹⁴C/C en o más allá del límite detectable de 10^-15 (correspondiente a ~60,000 años), a menudo tiene un ¹⁴C/C detectable de 10^-14 o 10^-13.

(2) hipótesis de elementos radiactivos: Lowe discutió brevemente la posibilidad de que los elementos radiactivos nativos puedan crear nuevo ¹⁴C mediante desintegración radiactiva. Solo discutió el radio y descartó esto como un efecto importante basado en las bajas concentraciones de radio en el carbón (y sin embargo, mi propia breve investigación ha encontrado muchos resúmenes que muestran que las concentraciones de radionúclidos varían ampliamente en el carbón - algunos de estos son anteriores a 1989, por lo que no sé por qué Lowe no abordó esto con más cuidado).

(3) hipótesis de bacterias/hongos: Lowe luego presenta un argumento razonable a favor de los hongos y las bacterias: existen hongos que pueden degradar lignito (Polyporus versicolor y Poria montiola), así como bacterias autótrofas similares a "thiobacillus" que oxidan pirita en el carbón, y señala que se han encontrado bacterias a 3 km de profundidad, aparentemente viviendo sobre granito. Lowe afirma que la actividad fúngica y bacteriana es particularmente probable en carbón cálido y húmedo expuesto al aire, y señala que la acción microbiana solo tiene que resultar en la deposición de ~0,1% en peso de carbono moderno en el carbón para producir una edad aparente de 45.000 años para el espécimen.

Desde el artículo de Lowe, han surgido muchos más informes sobre bacterias profundas subterráneas, que aparentemente forman un ecosistema hasta ahora no reconocido muy por debajo de la superficie terrestre, en rocas y en petróleos (resúmenes a continuación). Presumiblemente, la mayoría de estas bacterias nunca interactúan con el "moderno" ¹⁴C de la atmósfera. Pero cierta actividad bacteriana profunda aparentemente puede resultar en concentraciones aumentadas de ¹³C.

(4) Lowe continúa haciendo recomendaciones sobre el uso únicamente de carbón seco recién extraído y almacenado bajo gas inerte, y otras recomendaciones sobre la elección del "fondo" para los laboratorios de carbono-14.

Por lo tanto, parece que la producción in situ de nuevo ¹⁴C es la hipótesis mejor respaldada; pero la investigación está en curso, y espero ver los resultados del Proyecto de Carbono Antiguo y la nueva investigación sobre las bacterias subterráneas profundas.

Referencias

Una gran introducción general a la datación con carbono-14:
http://www.c14dating.com/

Información general sobre los muchos tipos de detectores de neutrinos:
www.slac.stanford.edu/gen/meeting/ssi/1997/wojcicki4.pdf

Una muy buena discusión exhaustiva sobre los tres nuevos detectores de neutrinos y cómo funcionan (desplácese casi hasta el final para leer sobre Borexino):
http://www.sns.ias.edu/~jnb/Papers/Popular/Nextgensolar/nextgensolar.html

Un diagrama del detector de neutrinos Borexino (Italia) - observe la enorme blindaje para protegerlo de la radiación procedente de la roca circundante:
http://almime.mi.infn.it/html/borexinod.html

Más información sobre el detector Borexino de la Universidad de Princeton:
http://pupgg.princeton.edu/~borexino/welcome.html

El artículo original que planteó este problema del "carbón antiguo":
"Problemas asociados con el uso de carbón como fuente de material de fondo libre de ¹⁴C." D.C. Lowe, Radiocarbon 31(2):117-120 1989.

Referencias recientes del continuo "Proyecto del Carbono Antiguo":
"La medición de edades de Radiocarbono muy antiguas mediante AMS." 2001. A. E. Litherland y K. H. Purser. En: Proc. Conf. on the Fundamental Aspects of Modern Physics, 2000, Luderitz, Namibia. Publicado por World Scientific Publishing Company en 2001.

"Progreso en la investigación AMS en IsoTrace." 2000. A. E. Litherland, R. P. Beukens, J. P. Doupe, W. E. Kieser, J. S. Krestow, J. C. Rucklidge, I. Tomski, G. C. Wilson y X-L. Zhao. Nucl. Instr. and Meth. B172:206-210.

"Sistemas de preparación de haces iónicos para la reducción de isóbaros atómicos en espectrometría de masas con acelerador." 2001. A.E. Litherland, J.P. Doupe, I. Tomski, J. Krestow, X-L. Zhao, W.E. Kieser y R. P. Beukens. En: Actas del 16º Conf. Int. sobre las Aplicaciones de Aceleradores en Investigación e Industria, J. L. Duggan e I. L. Morgan (Eds.), Conf. Proc. del Am. Inst. de Física 575:390-393.

Sobre bacterias subterráneas:
"Vida profunda en el carril lento, muy lento." Richard A. Kerr, Science, 10 de mayo de 2002: 1056-1058.

Más sobre bacterias subterráneas:
"Una comunidad microbiana subsuperficial basada en hidrógeno dominada por metanógenos." 2002. F.H. Chapelle, K. O'Neill, P.M. Bradley, B.A. Methe, S.A. Ciufo, L.L. Knobel y D.R. Lovley. Nature, 17 de enero, 2002; 415 (6869): 312-315.
RESUMEN: La búsqueda de vida extraterrestre podría facilitarse si se pudieran encontrar ecosistemas en la Tierra que existan bajo condiciones análogas a las presentes en otros planetas o lunas. Se ha propuesto, basándose en consideraciones geoquímicas y termodinámicas, que el hidrógeno de origen geológico podría sostener comunidades microbianas subsuperficiales en Marte y Europa en las que los metanógenos formen la base del ecosistema. Aquí describimos una comunidad microbiana subsuperficial única en la que los Archaea consumidores de hidrógeno y productores de metano superan numéricamente a las Bacterias. Más del 90% de las secuencias de ADN ribosomal 16S recuperadas de aguas hidrotermales que circulan a través de rocas ígneas profundamente enterradas en Idaho están relacionadas con microorganismos metanógenos que utilizan hidrógeno. La caracterización geoquímica indica que el hidrógeno geotérmico, no el carbono orgánico, es la fuente de energía primaria para esta comunidad microbiana dominada por metanógenos. Estos resultados demuestran que las comunidades metanógenas basadas en hidrógeno sí ocurren en la subsuperficie de la Tierra, proporcionando un análogo para posibles ecosistemas microbianos subsuperficiales en otros planetas.

Una nueva especie de bacterias encontrada en combustibles fósiles profundos y calientes:
"Isolación y caracterización de Thermococcus sibiricus sp. nov. de un yacimiento petrolífero de alta temperatura en Siberia Occidental." 2001. M.L. Miroshnichenko, H. Hippe, E. Stackebrandt, N.A. Kostrikina, N.A. Chernyh, C. Jeanthon, T.N. Nazina, S.S. Belyaev, y E.A. Bonch-Osmolovskaya. Extremophiles 5(2):85-91.
RESUMEN: Se aislaron Archaea hipertermófilas organotróficas anaerobias de cinco de las ocho muestras procedentes de pozos petrolíferos del yacimiento de Samotlor (profundidad, 1.799-2.287 m; temperatura, 60-84 grados C). Se aislaron tres cepas en cultivos puros y se caracterizaron filogenéticamente basándose en la comparación de las secuencias del gen 16S rRNA. Todas las cepas pertenecían a una nueva especie del género Thermococcus, con Thermococcus litoralis, Thermococcus aggregans, Thermococcus fumicolans y Thermococcus alcaliphilus siendo los parientes más cercanos (rango de similitud de secuencia, 97,2%-98,8%). La cepa MM 739 fue estudiada en detalle. El nuevo aislado creció sobre péptidos pero no sobre carbohidratos. El azufre elemental tuvo un efecto estimulante sobre el crecimiento. El rango de temperatura para el crecimiento fue entre 40 grados y 88 grados C, con un óptimo a 78 grados C; el rango de pH fue de 5,8 a 9,0, con un óptimo alrededor de 7,3; y el rango de salinidad fue de 0,5% a 7,0%, con un óptimo a 1,8%-2,0%. El tiempo de duplicación en condiciones óptimas de crecimiento fue de aproximadamente 43 min. El contenido de G+C del ADN fue de 38,4 mol%. La parentescencia ADN-ADN entre la cepa MM 739 y T. litoralis fue del 27%; entre la cepa MM 739 y T. aggregans, fue del 22%. Basándose en las diferencias fenotípicas y genómicas con las especies conocidas de Thermococcus, se propone la nueva especie Thermococcus sibiricus. El aislamiento de un arqueón hipertermófilo de un entorno subsuperficial profundo, significativamente alejado de las fuentes hidrotermales marinas someras o abisales, indica la existencia de una biosfera subterránea habitada por biota hipertermófila indígena.

Ejemplo de alto contenido de uranio en ciertos carbones:
"Abundancias anómalas de elementos traza en cenizas de carbón terciario de East Garo Hills, Meghalaya, India." 1996. I.V. Sastry, M.S. Deshpande, y K.K. Dwivedy. Journal of Atomic Mineral Science 4:75-79.
RESUMEN: Las cenizas de carbón de los carbones terciarios de Thakmari-Wathregithem de East Garo Hills registran concentraciones anómalas de uranio (hasta 0.219% U₃O₈), vanadio (hasta 9.3%), cromo (hasta 1.7%), cobre (hasta 1.17%), manganeso (hasta 0.15%), cobalto (hasta 1.15%), estroncio (hasta 0.38%), bario (hasta 0.30%) y plomo (hasta 0.75%). Se evalúan brevemente los aspectos económicos y las posibles implicaciones de tales altas concentraciones.

Ejemplo de alto contenido de uranio en combustibles fósiles que también distorsiona otros métodos de datación radiométrica:
"La geoquímica de isótopos de plomo y las edades aparentes uranio-plomo del mineral uranífero de tipo arenisca de Domiasiat, Meghalaya, India." 1998. R.R. Das, K.K. Dwivedy, T.R. Mahalingam y C.K. Mathews. Journal of the Geological Society of India 51(6): 817-825.
RESUMEN: La abundancia relativa de plomo radiogénico varía dependiendo de las características mineralógicas del mineral. En materia carbonífera con alto contenido de uranio, el plomo radiogénico es >80% del total, mientras que en un mineral compuesto, hasta un 60% del total es de plomo común inicial. Las "edades aparentes" uranio-plomo están en el rango de 25 Ma a 95 Ma y están relacionadas con el ensamblaje mineralógico en el mineral. La mineralización uranífera más reciente, de "edad aparente" -25Ma, está asociada con las fracciones de materia carbonífera que contienen cantidades considerables de pirita. Las variaciones en la abundancia y distribución de isótopos de plomo radiogénico y los cambios ordenados resultantes en las "edades aparentes" de las mineralizaciones uraníferas en diferentes tipos de fracciones minerales se atribuyen a las condiciones favorables existentes en el mineral para el movimiento de uranio desde la roca y la concentración y retención preferencial en la materia carbonífera, lo que lleva a más de una etapa de mineralización uranífera.

Referencia antigua (pero aún buena) sobre la variación en el contenido de uranio en carbones:
"Geología del uranio en rocas carbonáceas de carbón." 1962. J.D. Vine. Papel Profesional del Servicio Geológico de los Estados Unidos. Páginas 113-170.
RESUMEN: El U es uno de muchos constituyentes inorgánicos asociados con el carbón, el carbón impuro, el esquistos carbonáceo y el esquistos carbonífero. Estas rocas normalmente contienen menos del 0.0001% de U. Se sabe que ocurre localmente al menos 0.005% y hasta 0.1% de U en suelos turfosos de praderas alpinas, en lechos de esquistos carboníferos y como grandes depósitos de bajo grado en lignito y carbón subbituminoso en las regiones de las Montañas Rocosas y las Grandes Llanuras. El carbón bituminoso y antracítico solo se conoce raramente que contenga hasta 0.005% de U, incluso localmente. Toneladas económicamente significativas de lignito impuro y esquistos ligníticos contienen hasta 0.1% de U en al menos 14 áreas en los Estados Unidos. Casi la mitad de estas áreas ocurren en la región de lignito de Fort Union en el oeste de Dakota del Norte y Dakota del Sur. La mayoría de estos depósitos ocurren en lechos delgados de rocas ligníticas impuras que han sido alteradas a material terroso suave que contiene aproximadamente 50% de humedad. El U ocurre principalmente como un constituyente epigénico de los restos vegetales en rocas carboníferas, químicamente fijado por intercambio catiónico en la materia húmica. La localización de los depósitos depende de la disponibilidad de U en soluciones de agua subterránea, la estructura y permeabilidad de la roca adyacente, y especialmente de la permeabilidad y susceptibilidad química de la roca carbonífera. El conjunto peculiar de condiciones necesarias para formar un depósito económicamente significativo de U en rocas carboníferas carbonáceas se cumple raramente y no sigue un patrón fácilmente predecible.