Introduccion Geoquímica

Tema 1.- Introducción. Concepto de Geoquímica: objetivos, desarrollo histórico; relación con otras ciencias. Interés científico, técnico y económico de la Geoquímica. Literatura geoquímica.

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Definición de Geoquímica

Introducción y Desarrollo Histórico

        Tradicionalmente se consideraba a la Geoquímica como la ciencia encargada del estudio del quimismo de la Tierra. Sus objetivos eran la descripción de la distribución de los elementos y sus isótopos en la atmósfera, hidrosfera, corteza, manto y núcleo. La Geoquímica tradicional también tenía por objeto la obtención de datos similares a partir de los materiales extraterrestres. Sin embargo, la Geoquímica evolucionó desde un campo puramente descriptivo hasta el campo interpretativo de los mecanismos que dan lugar a los fenómenos observados en la Tierra.

        La mayoría de los elementos químicos están inmersos en ciclos que los conducen alternativamente de la superficie al interior de la Tierra. Los tiempos de residencia de los elementos químicos permiten cuantificar la dinámica de estos ciclos que son de varios millones de años, o menos, en los océanos, y mucho más cortos en la atmósfera. En la tierra sólida, estos valores son de varios órdenes de magnitud superiores.

        En la actualidad se podría designar como Geoquímica la ciencia que tiene por objeto el reconocimiento y descripción de estos ciclos y el establecimiento de los balances de transferencia de materia. Asociada a la Cosmoquímica, la Geoquímica trata de identificar los procesos que, a partir de una nebulosa protosolar homogénea, han dado lugar a las diferencias planetarias e interplanetarias. Las directrices que sigue la Geoquímica actual serían: (1) conocer la distribución de los elementos químicos en la Tierra y en el sistema solar; (2) descubrir las causas de la composición química observada en los materiales terrestres y extraterrestres; (3) estudiar las reacciones químicas que ocurren en la superficie terrestre, en su interior, y en nuestro sistema solar; (4) incorporar esta información en los ciclos geoquímicos, a fin de llegar a conocer cómo funcionaron estos ciclos en el pasado y cómo pueden ser alterados en un futuro.

        Las raíces de la Geoquímica pertenecen tanto a la Geología como a la Química. De hecho, algunas de las observaciones prácticas de Agricola, Steno, y otros naturalistas renacentistas permitieron expandir el conocimiento del comportamiento de los elementos y su presencia en la naturaleza. Estas observaciones forman la base sobre la que la Química y Geología modernas se desarrollaron durante el siglo XVIII. Pero se precisaron dos requisitos indispensables para el desarrollo de la Geoquímica: el descubrimiento de los elementos químicos y el desarrollo de métodos exactos y precisos para el análisis de rocas y minerales. Los trabajos de Lavoisier y sus contemporáneos, durante el periodo en el que la química moderna comienza a tomar forma, estaban llenos de ideas sobre los océanos y atmósfera, sólidos, rocas y los procesos que los modificaban. En el desarrollo de la separación y caracterización de las propiedades de los elementos, Lavoisier, Davy, Dalton y otros, también contribuyeron al progresivo debate con los geólogos de la época sobre la composición de la Tierra. En esta misma época, De l'Isle y Hauy desarrollaron las primeras observaciones en cristales, permitiendo rápidamente avanzar en los campos de la mineralogía y cristalquímica.

        El término Geoquímica fue introducido por primera vez por el químico sueco Ch.F. Schönbein en 1838. Sin embargo, el resurgir de la Geoquímica como una disciplina independiente tiene lugar con el desarrollo de los grandes laboratorios del Servicio Geológico de los Estados Unidos (U.S.G.S) en 1884, y la Institución Carnegie de Washington en 1904, y en algunos paises europeos, principalmente Noruega y la U.R.S.S., entre los años 1910 y 1925. De estos centros surgen las primeras investigaciones sistemáticas de las composiciones de rocas y minerales, y algunos de los primeros estudios experimentales en donde se investigaron las condiciones termodinámicas de los minerales. El primer tratado de Geoquímica (The Data of Geochemistry) aparece en 1908, siendo su autor F.W. Clarke. Esta obra, que fue revisada varias veces en los 16 años siguientes a su aparición, resume los trabajos analíticos llevados a cabo por el U.S.G.S., permitiendo a los geólogos estimar la composición media de la corteza. La regla de las fases, que fue sugerida a partir de los trabajos teóricos de J.W. Gibbs en los años 1880, fue aplicada a los estudios que B. Roozenboom y P. Eskola realizaron sobre rocas metamórficas, estableciendo las bases químicas del concepto de facies metamórfica. Simultaneamente, A.L. Day y otros investigadores de la Institución Carnegie del Laboratorio de Geofísica de Washington comenzaron un programa de investigación focalizado en los procesos de generación de rocas ígneas.

        Durante el siglo XX, el desarrollo de la Geoquímica ha estado marcado por determinados avances tecnológicos. El primero de estos fue el descubrimiento de F. Laue en 1912 que la distribución interna de los átomos en una sustancia cristalina podía servir como una red para la dispersión de un haz de rayos-X. En poco tiempo más, W.L. Bragg utilizó esta técnica para determinar la estructura de la halita. En los años 1920, V.M. Goldschmidt y sus colaboradores de la Universidad de Oslo determinaron la estructura de un gran número de minerales comunes y, a partir de estas estructuras, formularon principios que marcaban la distribución de elementos en componentes naturales. Sus trabajos, publicados en las series Geochemische Verteilungsgesetze der Elemente, fueron quizá las contribuciones más importantes a la Geoquímica de este periodo.

        Durante los años 30 y en los años próximos a la Segunda Guerra Mundial, se desarrollaron nuevas aleaciones con aceros que permitieron a la Petrología Experimental investigar, por primera vez, procesos a muy altas presiones. P. Bridgemen, N.L. Bowen y un creciente número de investigadores desarrollaron una serie de aparatos con los que podían sintetizar asociaciones minerales a temperaturas y presiones similares a las de la corteza inferior y manto superior. Con estos cambios tecnológicos, pudo ser finalmente posible investigar la composición química de sectores inaccesibles de la Tierra.

        El uso de isótopos radiactivos en geocronología comienza al final del siglo XIX, tras los descubrimientos de E. Rutherford, H. Bequerel y el matrimonio Curie. Sin embargo, las principales influencias de la química nuclear en geología tienen lugar tras el desarrollo de los modernos espectrómetros de masas de alta precisión a finales de los años 1930. La geoquímica isotópica se desarrolló rápidamente tras las precisas determinaciones con espectrómetros de masas por parte de A.O.C. Nier, determinando entre 1936 y 1939 las composiciones isotópicas de 25 elementos. La creación de Nier en 1947 de un espectrómetro de masas, simple pero altamente preciso, permitió la incorporación de esta técnica dentro de los presupuestos de muchos laboratorios geoquímicos, abriendo un campo que, incluso hoy día, es una de las areas de la Geoquímica de mayor crecimiento. Los trabajos de H. Urey y sus estudiantes a finales de los 40 hicieron de los isótopos estables una herramienta imprescindible en los estudios de geología económica y geoquímica ambiental. Más recientemente, las medidas precisas de isótopos radiogénicos han supuesto también importantes avances en la elaboración de los modelos geoquímicos de la Tierra. A comienzos de los años 50, los geoquímicos comenzaron a estudiar las reacciones químicas y los procesos asociados a ellas. Los orígenes de esta línea de investigación se deben a los trabajos de A. Fersman quien aplicó los conceptos de la termodinámica al estudio de la estabilidad de los minerales en sus ambientes naturales. En 1952 B. Mason publicó la primera edición de su obra Principles of Geochemistry, que fue ampliamente utilizada como libro de texto en las universidades y ayudó al establecimiento de la Geoquímica como una disciplina dentro de las Ciencias de la Tierra. En la década siguiente R. Garrels y K.B. Krauskopf aplicaron la termodinámica y la química de las disoluciones para la determinación de la estabilidad de los minerales y la mobilidad de sus iones en la superficie de la Tierra. Recientemente, la publicación del texto Handbook of Geochemistry, editado por K.H. Wedepohl entre 1969 y 1978, supone la fuente más completa respecto a la información geoquímica de los elementos químicos.

        En cierto modo, se puede decir que es a partir de los avances en la geoquímica isotópica cuando se produce un realce de la Geoquímica como ciencia autónoma. A partir de este punto, además de la geocronología, el campo de aplicación de la geoquímica isotópica se amplía a la génesis de rocas, su evolución y sus transformaciones. Y no sólamente a rocas magmáticas y metamórficas generadas en profundidad a temperaturas relativamente elevadas, sino también a rocas sedimentarias generadas en condiciones propias de la superficie de la Tierra. Junto a una Geoquímica interna, denominada en ocasiones "caliente", se desarrolla una Geoquímica externa, a menudo denominada como "fría" o "de superficie".

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