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Geología

Un retrato del pasado

Estudios sobre la antigua temperatura de la superficie terrestre ayudan a descubrir minerales

Un grupo de investigadores brasileños se encuentra abocado al estudio de la variación de la temperatura de la corteza terrestre en el decurso de millones de años. Al margen de contribuir con el conocimiento de la historia térmica del continente, los científicos desarrollaron aplicaciones económicas relevantes para la identificación y la caracterización de minerales. Empleamos una técnica de datación que está ayudando en el descubrimiento de yacimientos de petróleo, gas, diamante, mineral de hierro y bauxita, entre otras, pues debido a que nos ayuda a comprender el proceso de erosión y deposición de sedimentos ocurridos hace millones de años, nos suministra pistas de los minerales existentes debajo de la Tierra, dice el geólogo Peter Christian Hackspacher, del Departamento de Petrología y Metalogenia de la Universidad Estadual Paulista (Unesp), de Río Claro.

Desde que iniciamos nuestros estudios hemos contribuido con la vinculación entre la existencia de bauxita y la temperatura de las rocas en el pasado en un yacimiento de la localidad de Poços de Caldas, Minas Gerais, explotados por las empresas Alcoa y Companhia Brasileira de Alumínio (CBA) entre otras, comenta Hackspacher, coordinador de un Proyecto Temático financiado por la FAPESP sobre el tema. La edad de la formación de yacimientos como éste o de petróleo gira en torno a los 30 millones de años, y depende de varios factores geológicos. En el caso de la bauxita, el aumento de la temperatura de la corteza en determinada época, como en Poços de Caldas, influye para soliviar las rocas de un área, permitiendo así un proceso de lixiviación (extracción selectiva de iones, con pérdida o ganancia de electrones) de sílice y el consecuente enriquecimiento de aluminio (este elemento químico aparece en la naturaleza normalmente junto al silicio) que está agregado al mineral.

En el caso del petróleo, la situación é diferente. Una región calentada por varios factores geológicos, entre otros procesos tectónicos (el estudio de los campos de esfuerzos que actúan en la corteza terrestre, provocando movimientos en la superficie), será favorable a la generación de petróleo. Es el llamado fenómeno de maduración, cuando la materia orgánica situada en los sedimentos depositados en cuencas sedimentarias como por ejemplo los de la cuenca de Santos o de Campos se ubica en el rango de temperatura entre 60°C y 120°C. Así, esta materia orgánica se transforma en hidrocarburo (petróleo y gas). El método también podrá emplearse para la evaluación de acuíferos y sus respectivas zonas de recarga, las regiones por donde la napa de agua se reabastece. En el marco de otro proyecto, el grupo, que también incluye a investigadores de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp) trabaja en sociedad con Petrobras y en proyectos financiados por el Fondo Sectorial de Petróleo y Gas Natural (CT-Petro), dependiente del Ministerio de Ciencia y Tecnología, junto con la Universidad Federal de Río Grande do Sul (UFRGS). Nuestro objetivo es mejorar el conocimiento sobre los campos petrolíferos en diferentes regiones del país, que se extienden desde Río Grande do Sul a Espírito Santo, para tener una termocronología (el estudio de la temperatura de las rocas en el transcurso del tiempo) del relieve brasileño, dice Hachspacher.

La calidad de los datos generados en el marco del Proyecto Temático, que debido a su abordaje multidisciplinario tuvo repercusión nacional e internacional en la citada área de estudios, llamó la atención de empresas privadas y de Petrobras. La estatal petrolera estuvo de acuerdo en entrar como socia en los proyectos del CT-Petro, que aún no cuentan con resultados consolidados. Con respecto al proyecto temático, uno de los desdoblamientos fue la creación de NuclearGeo en noviembre de 2003, una empresa con sede en la Incubadora de Base Tecnológica de la Unesp de Río Claro (Incunesp). El objetivo de NuclearGeo, armada por ex alumnos y docentes de la Unesp, la UFRGS y la Unicamp, es hacer uso de las técnicas y de los conocimientos desarrollados durante la ejecución del Proyecto Temático en la explotación mineral y en la detección de acuíferos y sus propiedades.

La temperatura de la superficie
Para alcanzar los resultados que ya han extrapolado el ámbito académico, el grupo del profesor Hackspacher concentró sus estudios en torno a la identificación de la temperatura de la superficie y de la subsuperficie en determinadas épocas de la historia del planeta. Esto permite modelar la evolución de sierras, llanuras y otros paisajes, al margen de determinar los procesos de elevación y erosión de la superficie terrestre en eras geológicas lejanas. Un ejemplo de ese escenario es la sierra de Mantiqueira, un macizo montañoso enclavado en la región sudeste, que fuera otrora mucho más imponente. Hace 120 millones de años, cuando estaba en curso la separación de Pangea, una masa continental única que formaba nuestro planeta, ubicando en lados opuestos del Atlántico a los continentes sudamericano y africano, la sierra de Mantiqueira pasaba por un gradual proceso de elevación (movimiento de ascenso) y alcanzaba una altura de alrededor de 4 mil metros superior a la actual. Tiempos después, dicho macizo fue progresivamente erosionado, hasta llegar a una altura máxima de 2.800 metros. Los sedimentos resultantes de este desgaste se depositaron en la plataforma continental brasileña, en el área que comprende las actuales cuencas de Campos, en Río de Janeiro, y de Santos, en São Paulo.

El estudio de la relación directa entre la temperatura de las rocas y la conformación del paisaje de una región funciona de la siguiente manera: cuanto más caliente era una determinada roca en el pasado, más profunda se encontraba. Y cuanto más fría, mayor su proximidad con relación a la superficie. Todo esto tiene que ver con la apatita, un mineral incoloro compuesto por fosfato de calcio y empleado en la fabricación de fertilizantes e insecticidas, entre otros productos, que es el principal objeto de estudio de datación del grupo. Este mineral es una especie de testigo de la temperatura de la corteza terrestre en diferentes épocas. La apatita contiene uranio en su interior y puede fisionarse (se puede romper el núcleo del átomo de uranio en dos mitades) de manera espontánea, produciendo daños en su interior, los trazos de fisión, que se analizan en un microscopio óptico luego del tratamiento químico.

El inicio de los estudios de termocronología con trazos de fisión en el mundo se llevó a cabo mediante el empleo de métodos desarrollados principalmente por investigadores australianos a partir de los años 1980. La técnica de datación y termocronología empleada en el proyecto temático consiste en un perfeccionamiento de estos estudios, y fue desarrollada en el Instituto de Física (IF) de la Unicamp. El principio del método es el análisis del tamaño de los rasgos, que suministra pistas de la temperatura del mineral en el pasado. La apatita es muy sensible a la temperatura. Sabemos que sus trazos de fisión tienen una longitud reducida, cuanto más elevada y duradera sea la temperatura a las cual el mineral estaba sometiéndose, explica el físico Júlio César Hadler Neto, profesor del IF de la Unicamp, quien participa en el Proyecto Temático como responsable del área de trazos de fisión. Al estudiar los granos de apatita, los investigadores logran hacer un mapa del relieve de una determinada región en el pasado. Si la edad se aproxima a los 30 millones de años, por ejemplo, las probabilidades de que existan minerales tales como la bauxita son grandes. Las simulaciones también se hacen para los yacimientos de minerales de hierro y de diamante.

Con nuestros estudios, estamos rescatando el proceso la elevación y el hundimiento de la región sudeste de Brasil, entre el norte del estado de São Paulo y el sur de Minas Gerais, durante los últimos 250 millones de años. Investigamos rocas y minerales que puedan suministrar información sobre la historia térmica, tectónica, estratigráfica (el estudio de las rocas sedimentarias), geomorfológica (el proceso de formación de la superficie) y de la evolución del paisaje, afirma Hackspacher. Existen alrededor de 20 grupos en el mundo que trabajan con trazos de fisión, una metodología de comienzos de los años 1960, pero son pocos lo que emplean todas las herramientas utilizadas por los científicos brasileños. Con nuestras investigaciones hemos creado criterios adecuados a nuestra latitud y reemplazamos modelos importados de regiones de evolución geológica y climática diferentes a las nuestras. Según Hackspacher, las investigaciones realizadas y coordinadas con los profesores Hadler, de la Unicamp, Antônio Saad, del Laboratorio de Geociencias de la Universidad de Guarulhos (UnG), y Iandara Mendes, del Departamento de Planificación Territorial del Instituto de Geociencias de la Unesp, hicieron posible el desarrollo de nuevas tecnologías, como un software para modelado de la historia térmica con base en la apatita y nuevas técnicas para la separación y concentración de dicho mineral.

Extracción de muestras
El primer desafío para los investigadores que trabajan con la apatita consiste en hallarla. Para tal fin, los geólogos van al campo, muñidos de sus martillos, para extraer piedras que pueden contener el mineral hasta el momento, el equipo juntado muestras de 540 diferentes locales. Debido a la génesis y a las propiedades mineralógicas de las rocas, sabemos cuáles son las que tienen mayor concentración de apatita y las recolectamos. El granito, el esquisto y el gneiss son algunas de ellas, dice Hackspacher. Como la apatita está presente en las rocas en tamaño microscópico granos de alrededor de 50 micrones (1 centímetro dividido 200 veces)?, es preciso moler y colar las muestras colectadas para localizar el mineral. La muestra pulverizada pasa luego por un proceso de bateado (circulación agua con el mineral dentro de una especie de plato cóncavo), que puede ser manual y evoca el trabajo de los buscadores de piedras preciosas y oro [los garimpeiros]. El concentrado obtenido, compuesto de apatita y minerales pesados como el circonio, sulfuros y óxidos, se pone en un separador isodinámico, un aparato que aísla los metales magnéticos de los menos magnéticos o no magnéticos. La apatita se ubica en este último grupo.

Haz de irradiación
Tras un minucioso proceso de separación, los cristales de apatita son inmovilizados en pequeños cubos de resina epoxi, de menos de un centímetro cuadrado cada cubo contiene al menos 40 cristales del mineral, que entonces se rebanan para reducirlos de espesor. Las láminas de epoxi se pulen y sufren un ataque químico con solución de ácido nítrico. El baño revela los trazos de fisión de la apatita, que a partir de ese momento, está casi lista para su estudio. La última etapa consiste en la irradiación de la apatita por medio de un haz de neutrones en el reactor nuclear del Instituto de Investigaciones Energéticas y Nucleares (Ipen) de São Paulo. La apatita original contiene los rasgos heredados de su historia geológica. Cuando se irradia el mineral, el uranio presente en la apatita sensibiliza a una placa de mica fijada a ella. Esta placa pasa a tener una cierta cantidad de trazos inducidos. La razón entre los trazos fósiles, presentes originalmente en el cristal de apatita, y los inducidos por el proceso de reacción nuclear, se usará en el cálculo de la edad por trazo de fisión, explica Hadler Neto.

Los descubrimientos llevados a cabo por los investigadores brasileños confirieron al grupo prestigio internacional. Actualmente, al equipo, que tiene un perfil multidisciplinario, lo integran alrededor de 45 profesionales de diferentes instituciones de Brasil y del exterior. Al margen de las universidades brasileñas, hay convenios con las universidades de Pisa, Italia, Kansas, Estados Unidos, Heildelberg y Freiberg, Alemania, y Porto, Portugal.


El Proyecto
Historia de la exhumación de la plataforma sudamericana a ejemplo de la región sudeste brasileña: termocronología por trazos de fisión y sistemas aire-aire y sm-nd
Modalidad
Proyecto Temático
Coordinador
Peter Christian Hackspacher – Unesp – Rio Claro
Inversión
R$ 1.305.047,28 (FAPESP)

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