¿Cuánto tiempo tiene la Tierra: Edad científica de la Tierra

Anterior

Introducción

Siguiente

EDAD CIENTÍFICA DE LA TIERRA

Antes de analizar los argumentos avanzados por los "científicos" creacionistas en favor de una Tierra muy joven, aquí resumo brevemente la evidencia que ha convencido a los científicos de que la Tierra tiene entre 4.5 y 4.6 mil millones de años.

No puede haber duda sobre la antigüedad de la Tierra; la evidencia es abundante, concluyente y accesible para todos los que deseen examinarla. La mejor evidencia se encuentra en el registro estratigráfico incompleto y complejo, pero preciso, de la Tierra —un registro que ha sido objeto de casi dos siglos de estudio. Lentamente y con gran esfuerzo, los geólogos han ensamblado este registro en la escala de tiempo geológico generalizada mostrada en Figura 1. Esto se logró observando la secuencia relativa de edad de las unidades rocosas en una zona determinada y determinando, a partir de las relaciones estratigráficas, qué unidades rocosas son más jóvenes, cuáles son más antiguas y qué conjuntos de fósiles contienen cada unidad. Utilizando fósiles para correlacionar de zona en zona, los geólogos han podido establecer un orden relativo mundial de las formaciones rocosas y dividir el registro rocoso y el tiempo geológico en las eras, periodos y épocas mostrados en Figura 1. La última modificación a la escala de tiempo geológico de Figura 1 se realizó en la década de 1930, antes de que la datación radiométrica estuviera completamente desarrollada, cuando se insertó la Época Oligocena entre el Eoceno y el Mioceno.

Aunque los primeros estratígrafos podían determinar el orden relativo de las unidades rocosas y los fósiles, solo podían estimar las duraciones de tiempo involucradas observando las tasas de los procesos geológicos actuales y comparando las rocas producidas por esos procesos con las preservadas en el registro estratigráfico. Con el desarrollo de los métodos modernos de datación radiométrica a finales de la década de 1940 y la de 1950, fue posible por primera vez no solo medir las duraciones de las eras, períodos y épocas, sino también verificar el orden relativo de estas unidades de tiempo geológico. La datación radiométrica confirmó que la escala de tiempo relativa determinada por los estratígrafos y los paleontólogos (Figura 1) es absolutamente correcta, un resultado que solo podría haberse obtenido si tanto la escala de tiempo relativa como los métodos de datación radiométrica fueran correctos.

La abundancia y variedad de fósiles en las rocas fanerozoicas han permitido a los geólogos descifrar en considerable detalle los últimos 600 millones de años aproximadamente de la historia de la Tierra. En las rocas precámbricas, sin embargo, los fósiles son escasos; por lo tanto, el registro geológico de esta parte importante de la historia de la Tierra ha sido especialmente difícil de descifrar. No obstante, la estratigrafía y la datación radiométrica de rocas precámbricas han demostrado claramente que la historia de la Tierra se extiende miles de millones de años hacia el pasado.

La datación radiométrica no se ha aplicado solo a unas pocas rocas seleccionadas del registro geológico. Literalmente, se documentan en la literatura científica decenas de miles de mediciones de edades radiométricas. Desde el inicio de sus operaciones a principios de la década de 1960, los laboratorios de Geocronología del Servicio Geológico de los Estados Unidos en Menlo Park, California, han solos producido más de 20,000 edades K-Ar, Rb-Sr y ¹⁴C. Si a este número se suman las mediciones de edades realizadas por entre 50 y 100 otros laboratorios en todo el mundo, es fácil ver que el número de edades radiométricas producidas en las últimas dos o tres décadas y publicadas en la literatura científica debe superar fácilmente las 100,000. Tomadas en su conjunto, estas datos demuestran claramente que la historia de la Tierra se extiende hacia atrás desde el presente hasta al menos 3.800 millones de años en el pasado.

Una pregunta particularmente fascinante sobre la historia de la Tierra es «¿Cuándo comenzó la Tierra?». La respuesta a esta pregunta fue proporcionada por la datación radiométrica y ahora se conoce con un margen de error de apenas un pocos por ciento.

Tres enfoques básicos se utilizan para determinar la edad de la Tierra. El primero consiste en buscar y fechar las rocas más antiguas expuestas en la superficie de la Tierra. Estas rocas más antiguas son rocas metamórficas con historias anteriores pero ahora borradas, por lo que las edades obtenidas de esta manera son edades mínimas para la Tierra. Dado que la Tierra se formó como parte del Sistema Solar, un segundo enfoque consiste en fechar objetos extraterrestres, es decir, meteoritos y muestras de la Luna. Muchas de estas muestras no han tenido historias tan intensas ni tan complejas como las rocas más antiguas de la Tierra, y comúnmente registran eventos cercanos o iguales al momento de formación de los planetas. El tercer enfoque, y el que los científicos consideran que proporciona la edad más precisa para la Tierra, los otros planetas y el Sistema Solar, es determinar las edades modelo de plomo para la Tierra, la Luna y los meteoritos. Este método se considera que representa el momento en que los isótopos de plomo estuvieron por última vez distribuidos homogéneamente en todo el Sistema Solar y, por tanto, el momento en que los cuerpos planetarios se separaron en sistemas químicos discretos. Los resultados de estos métodos indican que la Tierra, los meteoritos, la Luna y, por inferencia, todo el Sistema Solar tienen entre 4.5 y 4.6 mil millones de años.

Antes de revisar brevemente la evidencia sobre la edad de la Tierra, enfatizo que la formación del Sistema Solar y la Tierra no fue un evento instantáneo, sino que ocurrió durante un período finito como resultado de procesos iniciados cuando se formó el universo. Por lo tanto, es más correcto hablar de intervalos de formación en lugar de edades discretas para el Sistema Solar y la Tierra. La evidencia actual indica, sin embargo, que estos intervalos fueron bastante cortos (100-200 millones de años) en comparación con la duración del tiempo transcurrido desde que el Sistema Solar se formó hace aproximadamente 4 a 5 mil millones de años. Así, las edades de la Tierra, la Luna y los meteoritos, medidas por diferentes métodos, representan eventos ligeramente distintos, aunque las diferencias en estas edades son generalmente pequeñas, y por lo tanto, con fines de este capítulo, se tratan aquí como un único evento.

LOS ROCA MÁS ANTIGUOS DE LA TIERRA

Todos los continentes principales contienen un núcleo de rocas muy antiguas bordeado por rocas más jóvenes. Estos núcleos, llamados escudos precámbricos, son todo lo que queda de la corteza más antigua de la Tierra. Las rocas en estos escudos son mayormente metamórficas, lo que significa que han sido transformadas de otras rocas a su forma actual por gran calor y presión bajo la superficie; la mayoría han pasado por más de una metamorfosis y han tenido historias muy complejas. Un evento metamórfico puede cambiar la edad radiométrica aparente de una roca. Lo más común es que el evento cause una pérdida parcial o total del isótopo hija radiogénico, resultando en una edad reducida. No todas las metamorfosis borran completamente el registro radiométrico de la edad de una roca, aunque muchas lo hacen. Por lo tanto, las edades radiométricas obtenidas de estas rocas más antiguas no son necesariamente la edad del primer evento en la historia de la roca. Además, muchas de las rocas más antiguas datadas intruyen en rocas aún más antiguas pero indatables. En todos los casos, las edades medidas proporcionan solo una edad mínima para la Tierra.

Hasta ahora, se han encontrado rocas con más de 3.000 millones de años en América del Norte, India, Rusia, Groenlandia, Australia y África. Las rocas más antiguas de América del Norte, encontradas en Minnesota, dan una edad de discordancia U-Pb de 3.56 mil millones de años (Figura 5). Las rocas más antiguas encontradas hasta ahora en la Tierra están en Groenlandia, Sudáfrica e India. Las muestras de Groenlandia han sido especialmente bien estudiadas. Por ejemplo, los gnaisseos de Amitsoq en Groenlandia occidental han sido datados con cinco métodos diferentes (Tabla 6); dentro de las incertidumbres analíticas, las edades son las mismas e indican que estas rocas tienen aproximadamente 3.700 millones de años.

Muestras de roca entera procedentes de los Gnaisse de Sand River en el Valle de Limpopo, Sudáfrica, han sido datadas mediante el método de isócrona Rb-Sr en 3.79 ± 0.06 mil millones de años (15). Estas muestras provienen de rocas que contienen inclusiones de rocas aún más antiguas pero hasta ahora indatables. Recientemente, Basu y otros (16) reportaron una edad de isócrona Sm-Nd de nueve muestras de 3.78 ± 0.11 mil millones de años para rocas en el este de la India.

Los estudios de las rocas más antiguas de los escudos precámbricos muestran que la Tierra es más antigua que 3.8 mil millones de años. La geología de estas rocas más antiguas también indica que hubo un período sustancial de la historia de la Tierra antes de hace 3.8 mil millones de años para el cual no existe actualmente ningún registro geológico datable. Hay varias razones posibles para la aparente ausencia de este registro más temprano. Una razón es que durante ese período de la historia de la Tierra no solo se estaba formando la primera corteza continental, sino que también se estaba reciclando y regenerando vigorosamente. Una segunda razón es que la Luna y, por inferencia, la Tierra, fueron sometidas a un bombardeo intenso por grandes meteoritos desde el momento de su formación inicial hasta aproximadamente hace 3.8 mil millones de años; este bombardeo ocurrió porque la Tierra aún estaba barrriendo material en su trayectoria orbital. Una tercera razón puede ser que el registro de la historia temprana de la Tierra existe en algún lugar pero simplemente aún no se ha encontrado. La razón correcta para la ausencia de datos puede ser bien una combinación de los anteriores. Sea cual sea la razón, si queremos aprender más sobre la historia de la Tierra antes de hace 3.8 mil millones de años, debemos examinar la evidencia obtenida de otras fuentes más antiguas, particularmente meteoritos y la Luna.

EDADES DE LOS METEORITOS

Existen dos tipos básicos de meteoritos, piedra y hierro; otros tipos son intermedios en composición entre estos dos. Los meteoritos de piedra están compuestos principalmente de los minerales silicatados olivino y piroxeno, mientras que los meteoritos de hierro consisten principalmente en una aleación de níquel-hierro. Los meteoritos de piedra comúnmente contienen pequeñas cantidades de níquel-hierro, y muchos meteoritos de hierro incluyen pequeñas cantidades de minerales silicatados. Una vez pensados como los restos de un planeta fragmentado, los meteoritos probablemente se originaron de unos 20 a 70 cuerpos padres del tamaño de grandes asteroides. Algunos meteoritos son muestras de los cuerpos padres que aparentemente fueron lo suficientemente grandes para experimentar un fusión parcial y diferenciación para producir diferentes tipos de roca. Otros, principalmente los meteoritos de piedra llamados condritos, parecen representar rocas esencialmente sin cambios desde la condensación de la nebulosa solar. Las órbitas de los meteoritos indican que son partes del Sistema Solar, probablemente muestras de los asteroides, y por lo tanto que su edad es relevante para la edad de la Tierra.

Como la mayoría de las cosas en la naturaleza, los meteoritos no son objetos simples. Esto es especialmente cierto en aquellos que han sufrido diferenciación, calentamiento y colisiones con otros cuerpos en el espacio. Para determinar la edad del Sistema Solar y de la Tierra, debemos buscar los meteoritos más antiguos y menos alterados.

Las edades K-Ar en meteoritos de piedra oscilan desde aproximadamente 400 millones de años hasta casi 5 mil millones de años, con una gran concentración entre 4.4 y 4.6 mil millones de años. Las edades más jóvenes reflejan eventos de calentamiento y colisión, a los cuales el método K-Ar es particularmente susceptible, mientras que las edades más antiguas registran eventos cercanos o iguales al momento de la formación del meteorito. Muchos meteoritos han sido ahora fechados mediante el método de espectro de edades ⁴⁰Ar/³⁹Ar, el cual revela que muchos meteoritos fueron calentados después de su formación. Las fases metálicas en los meteoritos de hierro no pueden ser fechadas de manera confiable mediante el método K-Ar debido a su contenido de potasio casi nulo y a los efectos de los rayos cósmicos. Sin embargo, las inclusiones de silicatos en varios meteoritos de hierro han sido fechadas mediante el método K-Ar en 4.5 ± 0.2 mil millones de años (19).

Algunas de las edades más precisas de los meteoritos se han obtenido mediante el método de isócrona Rb-Sr. Tabla 7 enumera algunas de estas edades, según el resumen de Faure (49). Figura 3 representa la isócrona para el meteorito Juvinas. Algunos meteoritos de hierro que contienen pequeñas inclusiones silicatadas también han sido datados mediante el método de isócrona Rb-Sr; los resultados indican que los meteoritos de hierro menos alterados tienen la misma edad (4.600 millones de años) que los meteoritos de piedra menos alterados.

Los meteoritos también han sido datados mediante el método de isócrona Sm-Nd. Jacobsen y Wasserburg (69), por ejemplo, demostraron que 10 condritas y la acandrita Juvinas todas caen sobre una isócrona de 4.60 mil millones de años.

Los resultados de la datación radiométrica de los meteoritos indican claramente que estos objetos se formaron hace aproximadamente 4.6 mil millones de años. Debido a que las consideraciones astrofísicas requieren que la formación de los planetas y los meteoritos por condensación de la nebulosa solar fue esencialmente simultánea, podemos inferir con considerable certeza que la edad de los meteoritos más primitivos también es la edad de formación de la Tierra. Incluso si quisiéramos negar esta inferencia, aún estaríamos obligados a concluir que los meteoritos, que deben al menos postfechar la formación del Sistema Solar y del universo, tienen una edad de no menos de 4.6 mil millones de años.

EDADES DE LAS ROCAS LUNARES

Las misiones Apolo, por primera vez, dieron a los científicos la emocionante oportunidad de estudiar muestras de otro planeta. Aunque todas las muestras proporcionan información importante sobre la historia de la Luna, para obtener datos sobre la edad de formación de la Luna debemos volver a examinar las rocas más antiguas.

La superficie de la Luna puede dividirse en las tierras altas lunares y las maras lunares. Las tierras altas son áreas montañosas de tierras altas que aún preservan algunos aspectos de la morfología de impacto original de la Luna más antigua. Las maras, o "mares", son áreas de tierras bajas más jóvenes que fueron inundadas por lava después del impacto de cuerpos del tamaño de asteroides. Las misiones Apolo trajeron muestras tanto de las tierras altas como de las maras.

Debido al severo impacto histórico de la Luna primitiva y al consiguiente calentamiento y metamorfismo de las muestras lunares, el método convencional K-Ar no es particularmente útil en el estudio de la formación de rocas lunares, ya que tiende a fechar los eventos de calentamiento e impacto más recientes en lugar de las edades originales de las rocas. Las edades de las rocas lunares se conocen principalmente mediante espectros de edad ⁴⁰Ar/³⁹Ar y datación por isócronas Rb-Sr; Tabla 8 enumera algunas de estas edades. Como se puede observar en esta tabla, las rocas de cada sitio de aterrizaje proporcionan edades similares mediante ambos métodos; este acuerdo no puede ser una mera coincidencia, sino que debe reflejar las verdaderas edades de las rocas dentro de las incertidumbres analíticas. Tabla 8, sin embargo, solo lista datos obtenidos antes de 1974; desde entonces, rocas más antiguas, procedentes de las tierras altas lunares, han sido analizadas.

Numerosos espectros de edades de ⁴⁰Ar/³⁹Ar de rocas de las tierras altas se sitúan entre aproximadamente 4.0 y 4.5 mil millones de años. Sin embargo, las edades más antiguas han sido medidas mediante el método de isócrona Rb/Sr en muestras procedentes del sitio de la misión Apollo 17. Estas incluyen edades de isócronas minerales de 4.55 ± 0.1, 4.60 ± 0.1 y 4.43 ± 0.05 mil millones de años para tres tipos diferentes de rocas. Además, los análisis de espectros de edades de ⁴⁰Ar/³⁹Ar del sitio de la misión Apollo 16 han mostrado ahora dos rocas con edades de 4.47 y 4.42 mil millones de años (véase el resumen en 75), y se han determinado edades de isócrona Sm-Nd de 4.23 ± 0.05 y 4.34 ± 0.05 mil millones de años para dos muestras de Apollo 17 (23).

Los cientos de edades radiométricas de las rocas lunares muestran claramente que la formación inicial de la Luna fue hace 4.500 a 4.600 millones de años. Por supuesto, existen algunas incertidumbres sobre la cronología exacta y los eventos que dieron lugar a la Luna que ahora vemos, pero hay poca duda sobre cuándo se formó la Luna o sobre la fecha de los principales eventos volcánicos que produjeron las rocas ígneas en los diversos sitios de las misiones Apolo.

EDAD DEL LÍDER DEL MODELO DE METEORITOS Y LA TIERRA

La edad generalmente aceptada de la Tierra se basa en un modelo simple pero elegante para la evolución de los isótopos de plomo. Este modelo fue desarrollado independientemente por Houtermans (65) y Holmes (63), y aplicado por primera vez a los meteoritos y la Tierra por Clair Patterson, actualmente en el Instituto de Tecnología de California, en 1953. En su clásico artículo, Patterson (104) razonó que si la composición isotópica del Pb fuera uniforme en la nebulosa solar y, por lo tanto, uniforme en los cuerpos planetarios y los meteoritos en el momento de su formación, y si estos cuerpos contenían cantidades diferentes de uranio, entonces la composición isotópica del Pb de estos cuerpos debería caer en una línea recta isócrona cuando se grafica la relación ²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb contra la relación ²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb (Figura 8). El extremo inferior de la isócrona en Figura 8 representa la composición isotópica del Pb en una fase de meteoritos de hierro (troilita, o sulfuro de hierro) que no contiene uranio; este punto representa la composición isotópica inicial del Pb del Sistema Solar.

Figura 8: Isocrona de plomo-isótopos meteóricos que muestra que la edad de los meteoritos y la Tierra es de aproximadamente 4.55 mil millones de años. Después de Murthy y Patterson (98) y York y Farquhart (136).

Las composiciones isotópicas de plomo de los meteoritos de hierro y de piedra caen sobre una isócrona de 4.55 mil millones de años (Figura 8). Obsérvese que este método, como los otros métodos de isócrona, es autocontrolado. La Tierra moderna, representada por las composiciones isotópicas de plomo de algunos minerales muy jóvenes que no contienen uranio, también cae cerca de la isócrona meteorítica,⁹ un resultado que esperaríamos si la Tierra y los meteoritos se formaron contemporáneamente. Las proporciones en las rocas lunares tienen valores mucho mayores que las de las rocas terrestres y los meteoritos; caen fuera del campo de Figura 8, pero sí se encuentran muy cerca de la extensión de la isócrona meteorítica y, por lo tanto, indican una edad similar.

Si la Tierra, la Luna y los meteoritos no estuvieran genéticamente relacionados y no tuvieran la misma edad, no habría razón para que sus composiciones isotópicas de plomo (Pb) se alinearan a lo largo de la misma isócrona. Esta es una evidencia convincente de que los cuerpos planetarios, incluida la Tierra, se formaron hace aproximadamente 4.55 mil millones de años. Tenga en cuenta que la estimación original de la edad de la Tierra de Patterson (104) ha cambiado muy poco en las últimas tres décadas. En una reevaluación reciente, Tera (125) concluye que la edad de la Tierra es de aproximadamente 4.54 mil millones de años. Tera también resume varios otros modelos de plomo para la edad de la Tierra; todos ellos dan resultados dentro del rango de 4.43 a 4.59 mil millones de años. Por lo tanto, aunque todavía existe algún debate sobre la edad exacta de la Tierra y el Sistema Solar, los científicos solo discrepan sobre la primera o segunda décima parte de un mil millones de años. La edad de la Tierra se conoce con una precisión de aproximadamente una parte en 45, es decir, aproximadamente dos por ciento.

Anterior

Introducción

Siguiente

⁹ Aunque los modernos isócronos terrestres se encuentran cerca del isócrono meteorítico, muchos no caen exactamente sobre él, evidentemente porque muchos han tenido historias complejas (multietapas) (por ejemplo, 123).