TEMA 18 LA TIERRA, UN PLANETA EN CONTINUO CAMBIO. LOS FÓSILES COMO INDICADORES. EL TIEMPO GEOLÓGICO. EXPLICACIONES HISTÓRICAS AL PROBLEMA DE LOS CAMBIOS
4.2.2.- Principio de superposición de
1.- INTRODUCCIÓN 2.- LA TIERRA, UN PLANETA EN
estratos. (Steno 1669 - Lehmann) Criterios de
CONTINUO CAMBIO
polaridad. 4.2.3.- Principio de uniformismo y
3.- LOS FÓSILES
actualismo (Hutton 1788, Lyell década de
3.1.- Proceso de fosilización
1830).
3.2.- Los fósiles como indicadores 4.-
EL
TIEMPO
GEOLÓGICO.
4.2.4.-Principio de sucesión faunística (Smith 1799, Cuvier 1812) 4.3.- Divisiones crono-estratigráficas
MÉTODOS DE DATACIÓN
5.- EXPLICACIONES HISTÓRICAS AL
4.1.- Datación absoluta
PROBLEMA DE LOS CAMBIOS
4.1.1.- Métodos radioactivos
5.1.- Uniformismo y Actualismo
4.1.2.- Métodos magnéticos
5.2.- Catastrofismo
4.1.3.- Método de las varvas glaciares
5.3.- Neocatastrofismo
4.1.4.- Métodos biológicos 4.2.-
Datación
relativa.
Métodos
estratigráficos 4.2.1.- Principio de la horizontalidad
6.- REPERCUSIONES EDUCATIVAS 7.- CONCLUSIONES 8.
-
BIBLIOGRAFÍA
original y continuidad lateral de los estratos (Steno 1669)
1
1.- INTRODUCCIÓN Desde su origen, la Tierra ha experimentado diversas modificaciones, muchas de las cuales han dejado su impronta en la litosfera. Esto se conoce como el registro geológico, y su interpretación nos informa de cómo era nuestro planeta en épocas pasadas. A lo largo de este tema se estudiarán algunos de los cambios más importantes que ha sufrido la Tierra, y los distintos métodos para datarlos. A continuación se expondrán las explicaciones históricas a los cambios sufridos por nuestro planeta. Todos estos aspectos son la base necesaria para estudiar el tema 19 “ Historia geológica de la Tierra” y están íntimamente relacionados con el concepto evolutivo de la Biología.
2.- LA TIERRA, UN PLANETA EN CONTINUO CAMBIO Una de las diferencias más características de la Tierra con el resto de los planetas del sistema solar es la continua actividad que ha venido manteniendo desde su origen, que se ha manifestado a través del movimiento de los continentes1 (ciclos de supercontinentes, pangeas), la elevación y destrucción de las montañas, apertura y cierre de los océanos, acumulación de sedimentos, aparición de volcanes y terremotos, etc. Esta actividad tiene lugar a un ritmo demasiado lento como para ser apreciado a lo largo de la vida de un ser humano. Así, cosas que nos parecen inmutables, en realidad están en contínua evolución de forma casi imperceptible. Algunos de los principales cambios que ha experimentado la Tierra desde su formación hace unos 4550 millones de años son: a) Comienzo de la formación de la hidrosfera por el agua contenida en meteoritos hace 4400 m.a (Alberède, 2009). b) Segregación de los materiales según sus densidades en corteza, manto y núcleo. Hace unos 3800 millones de años la corteza primitiva solidificó debido al enfriamiento generalizado del planeta. Según la Teoría de acreción por planetesimales. c) La deriva continental (sistema parecido al actual hace 2500 m.a.) y el ciclo de los supercontinentes Pangea. Asociado a este ciclo se desarrollan fenómenos de vulcanismo, sismicidad y orogénesis. d) Hace unos 3500 millones de años aparecieron en los océanos organismos que realizaban la fotosíntesis oxigénica, y la atmósfera pasó paulatinamente de reductora a oxidante.
1
Invetigaqciones recientes señalan que el movimiento de las placas tectónicas se iniciarían por el choque de enormes meteoritos y se mantendrían desde entonces por el calor interno de la Tierra (Fancis Albarède, 29 de octubre de 2009, Nature). 2
e) Hace unos 600 millones de años se formó la capa de ozono que frenaba la acción perjudicial de la radiación UV sobre los seres vivos. Esto posibilitó la explosión de la vida compleja del Cámbrico. f) El clima en épocas pasadas fue distinto al actual. Podemos citar la recurrencia de períodos glaciares (Günz, Mindel, Riss, Würm) e interglaciares estudiadas por Milankovitch (1941): 1. Inclinación del eje de rotación (cada 40000 años). 2. Precesión del eje de rotación (20000 años). 3. Variación de la excentricidad de la órbita celeste (100000 años).
Todos los eventos geólogos hasta aquí descritos, y muchos más, quedan registrados en los sedimentos. Para ordenarlos en el tiempo realizamos dataciones que pueden ser absolutas o relativas. Dentro de este segundo tipo, los fósiles son muy utilizados, como explicamos en el siguiente epígrafe. 3.- LOS FÓSILES Los fósiles son restos de organismos y de su actividad como son huellas (icnofósiles), tubos de gusanos, coprolitos (excrementos fosilizados), etc. que llegan hasta la actualidad. Su estudio (Paleontología) nos permite conocer cómo era la vida en épocas pasadas y hacer dataciones relativas. 3.1.- PROCESO DE FOSILIZACIÓN Para que un organismo de otras épocas llegue a nosotros como fósil debe superar una serie de condiciones selectivas muy variadas: 1. Vivir en un medio con abundancia de organismos 2. Rápido enterramiento in situ para preservarse de los agentes geológicos externos y de la acción de otros seres vivos. En la práctica, las mejores condiciones de fosilización se dan en el mar, especialmente en zonas costeras sin oleaje. 3. Presencia de partes duras como huesos y estructuras de lignina de las plantas, ya que presentan mayor resistencia a la degradación. Excepcionalmente pueden conservarse las partes blandas en condiciones como el ámbar, lechos de turbera, hielo y determinados climas muy cálidos y secos (momificación).
La fosilización puede darse mediante dos tipos de procesos: - Impregnación: depósito de sustancias minerales en los intersticios dejados al destruirse la materia orgánica. 3
- Sustitución: Reemplazo de la materia mineral original de las partes duras por otro mineral diferente (EPIGÉNESIS). Los minerales fosilizantes más comunes son: la calcita CaCO3, la sílice Si02 y los compuestos de Fe: hematites (Fe2O3), goethita (FeO(OH)), siderita FeCO3, pirita FeS2 y marcasita FeS2.
Las mejores rocas fosilíferas (que albergan fósiles) son las calizas y las arcillas. Las areniscas (grano más grueso) no son tan buenas. En rocas metamórficas suelen hallarse buenos ejemplares a veces aplastados o deformados. No suelen aparecer en rocas ígneas.
3.2.- LOS FÓSILES COMO INDICADORES Como se explicará en el epígrafe 5.2.4 los fósiles-guía son los mejores instrumentos para realizar dataciones relativas. Sus características son: a) Amplia distribución geográfica: para poder hacer correlaciones estratigráficas. b) Han vivido en un período de tiempo geológico muy corto que facilita su datación de forma muy precisa. c) Gran tolerancia ecológica: Por eso son tan abundantes en el registro fósil d) Fáciles de reconocer y de interpretar Al conjunto de estratos que contiene un determinado fósil-guía se le denomina nivel-guía. En el tema 19 se estudian cuáles son los mejores fósiles-guía para cada época del registro fósil.
4.- EL TIEMPO GEOLÓGICO. MÉTODOS DE DATACIÓN Muchos de los cambios geológicos que se producen en nuestro planeta ocurren de forma extraordinariamente lenta. Para poder estudiarlos hay que emplear una escala temporal inusual para otras ciencias, en la que el millón de años es la unidad básica. 4.1.- DATACIÓN ABSOLUTA Se calcula el número real de unidades de tiempo (años) transcurridos desde un evento o empleado durante un proceso. 4.1.1.- MÉTODO RADIACTIVO Es el método de datación absoluta más importante. Se basa en la presencia de isótopos radiactivos (U, Th, etc.) en los minerales de las rocas como el circón (ZrSi04). Estos isótopos se 4
transforman en otros átomos (elementos hijos) en un tiempo conocido como período de semidesintegración (T), que es característico para cada elemento radiactivo. Podemos determinar la edad absoluta de una roca (t) si calculamos con un espectrómetro de masas la proporción de elemento radiactivo padre (N0) y su correspondiente elemento estable (H), y aplicamos la siguiente ecuación: donde λ es la constante de
t =
desintegración radiactiva
1
λ
Ln (
H + 1) N0
Los sedimentos pueden presentar minerales “heredados” más antiguos de rocas anteriores. Por ello sólo deben utilizarse en este tipo de dataciones los minerales de neoformación, contemporáneos al proceso de sedimentación. Por ejemplo la glaucomita en series arcillosas o calcáreas. Algunos métodos de datación radiométrica son:
Elemento padre
Elemento hijo
Uranio-238
Plomo-206
238
U
Potasio-40 40
K
Uranio-235 235
U
Carbono-14 14
C
206
Pb
Argón-40 40
Ar
Plomo-207 207
Pb
Nitrógeno-14 14
N
Vida media (años)
Método para:
4510 * 106
Dataciones muy precisas
1300 * 106
El método más común
713 * 106
Preciso
5730
Material de origen biológico
4.1.2.- MÉTODO MAGNÉTICO En las rocas volcánicas queda “fosilizado” el campo magnético cuando el magma se enfría por debajo de un mínimo conocido como punto de Curie (500º C). Como el magnetismo de la Tierra ha cambiado a lo largo de la historia geológica, podemos utilizar el paleomagnetismo como una datación absoluta de la edad que tiene ese depósito.
5
4.1.3.- MÉTODO DE LAS VARVAS GLACIARES Las varvas glaciares son pares de estratos que se producen anualmente debido a los cambios estacionales, especialmente en los lagos glaciares. Constan de una capa limosa o arenosa clara (en verano) y una capa arcillosa oscura (invierno). Es útil para dataciones de menos de 15000 años. 4.1.4.- MÉTODOS BIOLÓGICOS Destacamos los siguientes:
Dendrocronología: consiste en contar los anillos de crecimiento anuales de los árboles. Además, los grosores y características de los anillos constituyen un indicador climático. Anillos de crecimiento de corales, conchas de bivalvos y en escamas de algunos peces. Relojes moleculares: La Teoría Neutral de Motoo Kimura (1968) propone calcular el tiempo que dos especies con un antepasado común separaron sus linajes a partir del porcentaje de mutación de proteínas adaptativamente neutrales (sin presión evolutiva). El problema es que esa tasa de mutación no siempre se mantiene constante. Racemización de aminoácidos. Los aminoácidos de los seres vivos sólo se presentan con configuración espacial L. Al morir, éstos se transforman en sus isómeros de configuración D. Como la tasa de transformación es constante, determinando la proporción entre ambos isómeros se puede conocer cuánto hace que murió un organismo.
4.2.- DATACIÓN RELATIVA: MÉTODOS ESTRATIGRÁFICOS Consiste en establecer el orden (más antiguo – más moderno) de una sucesión de eventos a lo largo del tiempo geológico. Se basa en los principios básicos de la estratigrafía, que pasamos a estudiar a continuación: 4.2.1.- PRINCIPIO DE LA HORIZONTALIDAD ORIGINAL Y CONTINUIDAD LATERAL DE LOS ESTRATOS Los estratos en el momento de su depósito son horizontales y paralelos a la superficie de depósito, y quedan delimitados por dos planos que muestran continuidad lateral (Steno, 1669).
5.2.2.- PRINCIPIO DE SUPERPOSICIÓN DE ESTRATOS. CRITERIOS DE POLARIDAD Las series estratigráficas se presentan en capas superpuestas, siendo la inferior más antigua que la superior (Steno 1669, desarrollado posteriormente por Lehmann).
6
La secuencia original de los estratos puede verse alterada por fenómenos posteriores. Para poder interpretarlos correctamente es necesario recurrir a criterios de polaridad, que sólo mencionamos a continuación por razones de tiempo: A) Granuloselección de los materiales depositados. B) huellas tanto de animales o lluvia. C) Posición de los fósiles. Por ejemplo el vértice de los corales indica el muro. D) Principio de “el estrato que corta es más moderno que el cortado”. E) Cicatrices de erosión: son las discontinuidades estratigráficas producidas a consecuencia de la erosión en los periodos de interrupción de la sedimentación (diastemas). El periodo de tiempo en el que queda interrumpida la sedimentación se denomina hiato. Si en ese tiempo se produce erosión se constituirá una laguna estratigráfica. Las discontinuidades estratigráficas pueden ser: - Disconformidades que evidencian la ausencia de plegamientos en el periodo de laguna estratigráfica.
- Discordancias: con plegamiento de la formación más antigua.
7
- Inconformidades: Discontinuidades entre materiales estratificados y no estratificados, normalmente ígneos.
4.2.3.- PRINCIPIO DE UNIFORMISMO Y ACTUALISMO Los procesos que han tenido lugar a lo largo de la historia de la Tierra han sido uniformes y semejantes a los actuales (Hutton 1788; desarrollado por Lyell década de 1830). Sin embargo, la aplicación de este principio presenta limitaciones porque la Tierra en la antigüedad se comportaba de forma muy distinta, como veíamos en el epígrafe I.
4.2.4.- PRINCIPIO DE SUCESIÓN FAUNÍSTICA Se basa en el hecho de que los fósiles son coetáneos al depósito de los materiales de cada estrato. Así pues, Smith (1799), y posteriormente Cuvier (1812), afirmaban que “los fósiles que se encuentran en los estratos superiores son más modernos que los que se encuentran en los estratos inferiores”. Además, las capas que tienen igual contenido fosilífero tienen la misma edad (correlación paleontológica).
8
Los fósiles-guía son los mejores instrumentos para realizar una datación relativa como discutimos anteriormente. 4.3.- DIVISIONES CRONO-ESTRATIGRÁFICAS Se utilizan dos tipos de unidades temporales para medir la historia geológica: - CRONOESTRATIGRÁFICAS: Materiales que se han depositado durante un tiempo determinado. Incluyen: - unidades litoestratigráficas: según los atributos de las rocas - unidades bioestratigráficas: estratos que contienen fósiles característicos. - GEOCRONOLÓGICAS: Unidades puramente temporales. La correspondencia entre ambas es: U. cronoestratigráfica EONTEMA ERATEMA U. Geocronológica
EÓN
ERA
SISTEMA
SERIE
PISO
PERIODO
ÉPOCA
EDAD
No existe una Escala de Tiempos Geológicos admitida internacionalmente. Con fines pedagógicos, a continuación mostramos una modificación de la International Comission on Stratigraphy (2004) en la que incluimos las denominaciones de Cuaternario y Terciario por su significación tradicional, y omitimos las denominaciones de “Época” de la mayoría de los Periodos.
66,5 145.5
199.6
FANEROZOICO
23
Cuaternario Neógeno Paleógeno Cretácico
MESOZOICO
1,8
PERIODO
Terciario
CENOZOICO
m.a. EÓN ERA
Jurásico
Triásico
299 359.2
PALEOZOI CO
251 Pérmico Carbonífero Devónico
ÉPOCA Holoceno Pleistoceno Plioceno Mioceno Oligoceno Eoceno Paleoceno Superior Inferior Malm Dogger
Millones de años 0.0115 1.8 5.3 23 33.9 55.8 65.5
Lias Superior Medio Inferior Superior Inferior Superior Inferior Superior 9
416 Silúrico 443.7 Ordovícico 488.3
4550
542
ALGONQUICO PRECÁMBRICO
2500
CRIPTO ZOICO
542
PROTERO ZOICO
Cámbrico
Medio Inferior Superior Inferior Superior Inferior Superior Medio Inferior
ARCAICO
5.- EXPLICACIONES HISTORICAS AL PROBLEMA DE LOS CAMBIOS A continuación distinguimos las tres principales corrientes de pensamiento.
5.1.- ACTUALISMO O UNIFORMISMO Afirma que los cambios que sufre la Tierra son producto de procesos sumamente lentos pero continuados, de forma que poco a poco se van acumulando pequeñas variaciones hasta que pasado un tiempo suficientemente largo de tiempo la variación ya es evidente. Estas ideas encontraron su apoyo en los trabajos de los Plutonistas, representados por Hutton (1726-97) que a su vez reconoce la importancia de los trabajos de Steno (s. XVII), y LyelI (1797-1875). A Lyell se le considera fundador de la geología histórica moderna.
5.2.- CATASTROFISMO Esta corriente sostiene que catástrofes como inundaciones, colisiones de meteoritos, erupciones volcánicas violentas, etc. provocaron cambios repentinos en la fisionomía de la Tierra. De esta manera se conseguía explicar fenómenos que el uniformismo no podía. El padre de la teoría catastrofista fue Cuvier (1762-1832).
5.3.- EL NEOCATASTROFISMO A partir de la década de 1960 se realiza una conjunción de las dos teorías anteriores bajo el término Neocatastrofismo. Según ésta, los procesos geológicos se han dado de forma más o menos uniforme a lo largo de la historia terrestre pero de forma puntual se han dado eventos catastróficos 1
(ej. Meteorito hace 65,5 m.a. Responsable de la desaparión del 95% de las especies de aquella época). Éstos son imprescindibles para explicar la situación actual de nuestro planeta. Dichos eventos podían ser: impacto de meteoritos, inversiones del campo magnético, eventos sísmicos, volcánicos, climáticos, biológicos (extinciones de seres vivos), etc.
6.- REPERCUSIONES EDUCATIVAS El tema que nos ocupa se relaciona con el currículo de Biología y Geología RD 1631/2006 sobre enseñanzas mínimas en esta etapa D 231/2007 sobre enseñanzas de la misma en Andalucía O de 10 de agosto de 2007 que desarrolla su currículo
De igual forma se relaciona con el currículo de las materias de
bachillerato de acuerdo con el
RD 1467/2008
7.- CONCLUSIONES El presente tema hace hincapié en la concepción dinámica de la Tierra y presenta una división cronológica de los grandes hitos de la historia del planeta. Para hacerlo se basa en las pruebas que la estratigrafia aporta a través de los fósiles y del desarrollo de métodos de datación. Termina haciendo un repaso de las explicaciones que , históricamente, se han dado a la controversia de los cambios en la Tierra. Las conclusiones que podemos extraer del estudio de esta atractiva parte de la geología son las siguientes: La estratigrafía nos permite obtener series estratigráficas locales que son la base de las generales e interpretarlas tanto espacial ( reconstrucción de la cuenca sedimentaria) como temporalmente ( evolución de la cuenca) . Repasados los aspectos esenciales del proceso y condiciones de fosilización, estamos en condiciones de entender el concepto de fósil indicador o guía y las condiciones exigidas para ser considerado como tal a un fósil concreto. También se comprende los posibles errores por la presencia de fósiles alóctonos aunque éstos suelen distinguirse bien por huellas de abrasión y orientaciones debidas al transporte La ordenación relativa de los estratos desde más antiguos a más modernos exige poseer métodos de datación relativa basados en criterios estratigráficos, estructurales y biológicos que complementen los datos deducidos del estudio de los fósiles 1
Si la secuenciación relativa es más o menos aceptada de forma universal, la atribución de edades concretas sufre grandes variaciones según los datos que se manejen. Esta datación absoluta emplea métodos biológicos, sedimentarios, magnéticos, etc, pero sobre todo los radioactivos basados en la vida media de los isótopos inestables Al igual que en biología, como se estudia en el tema 65, los paradigmas en geología se distribuyen en dos grandes corrientes de pensamiento: el fijismo ( contraccionismo y catastrofismo) y el transformismo ( tectónica de placas). Terminamos el tema haciéndonos eco de un nuevo paradigma que parece ir ganando adeptos en los últimos tiempos: el neocatastrofismo
El sistema2 Tierra, tal y como lo conocemos en la actualidad, es el resultado de la interacción entre la atmósfera, la hidrosfera, la biosfera y la geosfera. Pero el tipo de interacciones entre los distintos subsistemas no ha sido siempre igual como se desprende del estudio del registro geológico.
el estado actual del planeta es sólo una instantánea de toda la historia, y las interacciones entre los distintos subsistemas no han sido siempre iguales..
La Tierra, desde que se originó, ha sufrido gran cantidad de cambios, de tal manera que el planeta que hoy conocemos es el reflejo de todos ellos. Y el estado actual es tan solo una instantánea de toda esta historia. Este tema reflexionará sobre la importancia del tiempo geológico: no podemos apreciar la mayoría de los cambios sino sólo algunos de sus efectos.
7.- BIBLIOGRAFÍA Para el desarrollo de este tema hemos utilizado la siguiente bibliografía: Bastida, F. “Geología. Una visión moderna de las Ciencias de la Tierra”. Ediciones TREA S.L. 2004. Gijón, España. Cervel, F. et al. “Ciencias y Tecnología. Biología y Geología. 1º de Bachillerato” (2008). Ed. Oxford University Press. Navarra, España.
2
Un sistema es aquello que funciona como un todo por la interacción de las partes que lo componen. 1
Albarède, Francis (2009): “Volatile accretion history of the terrestial planetx and dynamic implications”. Nature, 29 de octubre de 2009. Águeda, J. Et al (1983). Geología. Ed. Rueda. Www.stratigraphy.org
1
