Un nuevo método de estudio de sedimentos marinos ayuda a reconstituir el paleoclima

Con el apoyo de la FAPESP, un científico elabora un procedimiento basado en el análisis de granos de cuarzo y de feldespato que llegan al océano Atlántico desde el río Parnaíba, en el nordeste de Brasil

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – El análisis de sedimentos marinos se ha convertido en una herramienta poderosa en la investigación del paleoclima. Este material es transportado por los ríos desde los continentes hacia los océanos, y su composición permite calcular los valores de magnitudes tales como la temperatura, el régimen de lluvias en las áreas continentales y la salinidad de los mares. Y este rastreo del pasado resulta fundamental para verificar la precisión de los modelos climáticos actuales en el marco del cambio climático global (lea más en agencia.fapesp.br/25848 y agencia.fapesp.br/23145). 

Vinícius Ribau Mendes, docente de la Universidad Federal de São Paulo − Unifesp, en Brasil,  propuso un nuevo método de análisis de estos sedimentos en un artículo publicado en la revista Paleoceanography and Paleoclimatology. Debido a su originalidad, este estudio fue seleccionado por los editores para su difusión también en la sección “Research Spotlights” del periódico científico Earth & Space Science News.

Este estudio tuvo lugar durante el doctorado de Ribau Mendes, quien contó con el apoyo de una beca de la FAPESP y con la dirección de tesis de Paulo César Fonseca Giannini. El proyecto también contó con financiamiento mediante una Ayuda a la Investigación – Apoyo a Jóvenes Investigadores concedida a Cristiano Mazur Chiessi, coautor del artículo, y con una Ayuda a la Investigación – Programa de Equipamientos Multiusuarios de Fonseca Giannini.

Ribau Mendes y sus colaboradores analizaron columnas de sedimentos marinos recolectadas en la costa nordeste de Brasil. En estos “testigos”, tal como se les denomina en la jerga de los investigadores del paleoclima, encontraron minerales arcillosos, cuarzo y feldespato (un grupo de silicatos de sodio, potasio, calcio u otros elementos), transportados desde el continente al océano por el río Parnaíba, el más importante de la zona. Cualquier cambio sustancial experimentado por el río, como en el caso de las variaciones en el régimen de lluvias, se registra potencialmente en esos sedimentos.

“Para reconstruir los cambios acaecidos en las precipitaciones continentales en el transcurso de los últimos 30 mil años, propusimos un nuevo método, basado en la luminiscencia de los granos de cuarzo y feldespato. Esta luminiscencia varía dependiendo de la constitución geológica de las áreas de origen de los cristales y del tiempo que pasaron estos sometidos a los procesos de superficie antes de llegar al lecho oceánico. Un cristal proveniente de la cabecera del río posee una firma específica, distinta a la del cristal proveniente de la parte media o del final del lecho fluvial. Como en el caso del río Parnaíba el aumento del régimen de lluvias impacta significativamente sobre la cabecera, un mayor porcentaje de granos de esa área en el testigo marino indica una intensificación de las precipitaciones pluviales”, declaró Ribau Mendes a Agência FAPESP.

La luminiscencia es la luz que emiten algunos materiales que estuvieron expuestos a la radiación ionizante y sometidos a un estímulo, el calor o la luz, por ejemplo. En otros estudios, se descubrió que, para el cuarzo, la intensidad de la luz emitida o la sensibilidad depende del medio geológico en el cual el grano se formó y del tiempo que estuvo expuesto al sol durante sucesivos eventos de transporte a lo largo del río antes de sumergirse en el océano. “Comprobamos eso empíricamente, recogiendo muestras de cuarzo y feldespato a lo largo del río Parnaíba. Verificamos que las muestras de la cabecera son sumamente distintas a las recogidas en el curso del río”, dijo.

Pero la comprensión fisicoquímica de esa diferencia aún no está completa. El cuarzo, un material más simple y abundante que el feldespato en los sedimentos, está constituido básicamente por dióxido de silicio (SiO₂). Pero puede contener defectos formados por la incorporación de otros elementos químicos aparte del silicio y el oxígeno o por ausencia de estos elementos en la red cristalina (vacancias). La luminiscencia es el resultado de esas alteraciones en la red cristalina. Las mismas dependen de la composición química del medio en el cual se formó la roca. Asimismo, una vez que se ha formado, el cristal sufre otras influencias al transformarse en sedimento, tales como la rotura y la disminución de tamaño, que alteran su interacción con la radiación ionizante del ambiente, la exposición a la luz solar y la mayor incidencia de rayos cósmicos.

No se conoce exactamente cómo influyen estos factores sobre la capacidad de los defectos para generar luminiscencia, pero un estudio realizado en la cuenca del río Amazonas por André Oliveira Sawakuchi, del Instituto de Geociencias de la Universidad de São Paulo (IGc-USP) y colaboradores, demostró que, cuanto más tiempo permanece el cristal expuesto a los procesos de la superficie terrestre, mayor es su luminiscencia.

“Estas hipótesis fisicoquímicas con miras a explicar las diferencias aún se encuentran en estudio. No contamos aún con una explicación definitiva. Lo que sí podemos afirmar con seguridad, pues poseemos los datos empíricos, es que los cristales de los diversos locales del curso del río son distintos. Por eso al encontrar granos de esos cristales en los testigos marinos logramos determinar, con base en su luminiscencia, dónde se formaron esos materiales. Y verificar cómo fue el proceso que los llevó desde el continente hasta el océano”, dijo Ribau Mendes.

La medición de la luminiscencia se efectúa en las muestras extraídas, de dos en dos centímetros, en toda la longitud del testigo. Todas las muestras se exponen al mismo tipo y a la misma cantidad de radiación ionizante, y después se las estimula con calor o luz.

“Nuestro método complementa otros dos, ya consagrados por la comunidad científica. Uno de ellos, que aporta la información más precisa sobre la cantidad de lluvias, se basa en la medición de la proporción de los isótopos de hidrógeno presentes en moléculas sumamente resistentes de plantas terrestres llevadas hacia el mar. Esos isótopos, que la planta incorpora en sus moléculas, provienen del agua de las lluvias”, describió el investigador.

Los isótopos estables del hidrógeno son el protio, cuyo átomo está compuesto por un protón y un electrón, y el deuterio, también denominado hidrógeno pesado, compuesto por un protón, un neutrón y un electrón. Al combinarse con el oxígeno, el protio, que es el isótopo más abundante, produce el agua común: H₂O. El deuterio produce el agua pesada: D₂O.

Como las nubes de lluvia en la región nordeste de Brasil se desplazan desde océano hacia el continente, cuanto más llueve, menor es la cantidad de deuterio arrojada hacia el interior del continente, pues el agua pesada, al ser más densa, tiende a caer primero, quedando en el camino.

De este modo, la proporción de deuterio y protio en las moléculas de las plantas depositadas a distintas profundidades de los sedimentos marinos suministra información sumamente precisa sobre la variación de la cantidad de lluvias en el transcurso del tiempo.

“Pese a su precisión, este método posee el inconveniente de que es sumamente trabajoso y caro. Asimismo, depende de que la materia orgánica se encuentre preservada en el sedimento, cosa que no siempre ocurre”, ponderó Ribau Mendes.

El segundo método se basa en el análisis de la composición química del sedimento, con base en la fluorescencia de rayos X. Esta técnica consiste en excitar la muestra con rayos X y analizar las características de la señal electromagnética que la misma emite como respuesta. Como cada elemento químico emite en un rango de frecuencia específico, esto permite determinar los elementos presentes en la muestra. El objetivo consiste en determinar la proporción de titanio y hierro, provenientes del continente, con relación al calcio, proveniente de los caparazones de los animales marinos. Un aumento del porcentaje de titanio y hierro indica un mayor arrastre de material continental en función de la intensificación de las lluvias.

Este segundo método es sencillo, rápido y barato. Mientras que la determinación de los porcentajes de isótopos de hidrógeno requiere de un trabajo de varios meses en laboratorio, el escaneo del titanio, el hierro y el calcio se lleva a cabo en un día. El problema reside en que este método no es tan preciso como el anterior. Si bien la variación del porcentaje de titanio y hierro indica una mayor o menor precipitación pluvial en un determinado período, dicha variación no es proporcional a la cantidad de lluvias, pues se ve afectada también por el descenso o la elevación del nivel del mar. Si el nivel del mar baja, la desembocadura del río queda más cerca de la zona de recolección de sedimentos. Si sube, queda más lejos. En este caso, la columna de sedimentos puede exhibir una mayor o menor cantidad de titanio y hierro sin que esto haya sido causado por una mayor o menor cantidad de lluvias. Por eso, lo que se gana en rapidez y en costo, se pierde en precisión.

“Nuestro nuevo método se ubica entre uno y otro. Es menos preciso que el primero y más preciso que el segundo. También constituye un término medio en los apartados dificultad y costo. Asimismo, como el cristal de cuarzo es un material sumamente resistente, no existe el riesgo de que se degrade en la columna de sedimentos tal como puede suceder con las moléculas orgánicas del primero método. Y como se basa en las propiedades intrínsecas de estos cristales, tampoco existe el riesgo de que se vea afectado por factores externos como la elevación del nivel del mar, tal como sucede con el segundo método. No se trata de reemplazar un método por otro. Son métodos complementarios y debe aplicárselos según las necesidades”, dijo Ribau Mendes.

El grupo también analiza la posibilidad de construir un escáner de luminiscencia para testigos marinos.

“Si bien el aparato que se emplea para efectuar la medición de la sensibilidad a la luminiscencia es sofisticado, el concerniente procedimiento de laboratorio es relativamente sencillo y rápido, y los minerales blancos son los más comunes en los sedimentos provenientes del continente. Por eso el método que desarrolló Vinícius puede convertirse de ahora en adelante en rutina en el estudio de las paleoprecipitaciones con base en testigos marinos en el área de influencia de grandes ríos”, dijo Giannini.

Puede leerse el artículo intitulado Thermoluminescence and Optically Stimulated Luminescence Measured in Marine Sediments Indicate Precipitation Changes Over Northeastern Brazil en el siguiente enlace: agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2019PA003691. 

Y el artículo de difusión intitulado A New Proxy for Past Precipitation, publicado en Research Spotlights aparece disponible en: eos.org/research-spotlights/a-new-proxy-for-past-precipitation.