06 febrero 2013

Isótopos estables en arqueología: 1 - introducción

Si hay un campo de la geoquímica que tiene muchas aplicaciones en la arqueología científica, y potencialmente también en el caso de Iruña Veleia son los llamados isótopos estables.Por está razón queremos aportar una pequeña introducción a nivel básico que debe ser inteligible para cualquier persona que no entra en pánico después de oír las palabras 'elementos', 'átomos' o 'peso atómico'. No entraremos de lejos en la explicación de los fenomenos observados, únicamente intentamos indicar determinadas aplicaciones muy útil para la arqueología, y por su desconocimiento no amados...


Toda la materia consiste de átomos, y como aprendimos en clase de química y física, las características químicas de un determinado átomo es determinado por el número de protones que lleva en el núcleo. Es decir el número de protones corresponde con un determinado elemento: p. ejemplo el elemento carbono (C) tiene 6 protones, nitrógeno (N) 7 protones, uranio (U) 92 protones.

Los núcleos de los átomos no únicamente tienen protones, también neutrones. Como los protones son partículas con una carga positiva, y es bien sabido que cargas iguales se repulsan mutuamente, el núcleo para ser estable necesita un relleno con partículas neutrales. Se observa que los átomos estables tienen más o menos el número de neutrones que protones, aunque pueden tener algunos más, y especialmente para átomos con un peso atómico alto, p.ej. carbono puede tener 6 protones y 6 o 7 neutrones mientrás uranio al final de la lista tiene 92 protones y tiene 146 neutrones.

Como ya indicado un determinado átomo puede tener una cantidad de neutrones ligeramente variable y ser estable: por ejemplo el elemento oxigeno tiene 8 protones y puede tener 8, 9, 10 neutrones sin que el núcleo se convierte en inestable. Inestable significa que el átomo busca volver a un estado estable y es radioactivo: p. ej. carbono con 6 protones puede tener hasta 8 neutrones, pero la forma con 8 neutrones no puede existir para siempre y producirá una reacción nuclear (un neutrono se convertira en proton con la emisión de un electrón - radiación beta) para convertirse en nítrogeno estable de 7 protones y 7 neutrones.

Cada forma de un átomo, es decir con el mismo número de protones y un número de neutrones variables llamamos un isótopo y lo indicamos por su peso atómico (que es la suma del número de protenos + número de neutrones): p. ej. en el caso de carbono hablamos de los isótopos estables 12C (6+6) y 13C (6+7), mientras 14C (6+8) es el isótopo radioactivo de carbono.
En el caso de uranio el isótopo 238U (92+146) es estable, y 235U (92+143) y 234U (92+142) son los isótopos radioactivos. En la naturaleza, el isótopo de 238U es lo más frecuente, y solo hay un 0,7% del 235U. Para armas nucleares se necesita el inestable 235U. Entonces se debe 'enriquecer' en 235U, lo que es un proceso muy difícil y costoso (afortunadamente), porque ambos isótopos tienen casi exactamente los mismos características físicas y químicas, aunque si existe una muy  ligera diferencia por la diferencia en peso atómico. Con las llamadas centrifugas se es capaz de separar ambos isótopos pero esto costa mucho tiempo (cfr. proliferación de armas nucleares en el mundo).

Esta última digresión en realidad nos indica la situación de como se distribuyen los isótopos de un mismo elemento en la naturaleza. Debido a sus diferencias en peso atómica habrá en determinados procesos (procesos de equilibrio) una repartición de los isótopos que nos pueden dar mucha información sobre los procesos. Esto es el caso para los elementos ligeros, de bajo peso atómico, donde las diferencias en peso entre el isótopo ligero y pesado (p. ej. 16O y 18O) es relativamente grande, y los efectos de fraccionamiento son importantes (isótopos de oxigeno, carbono, nitrógeno).

En el caso de elementos pesados como plomo, estroncio, uranio no existen cambios en la composición isotópica durante los procesos, y son indicaciones de origen como se explicará a continuación.

Aparte de ser marcadores muy útiles para la arqueología como intentaremos demostrar en una serie de varios posts, isótopos estables tienen también el merito que se pueden medir de manera fehaciente en cantidades de material muy limitado (orden de miligramos) a través de un espectrómetro de masas. Esta medición y su preparación puede ser caro, pero en el caso de los isótopos de oxigeno y carbono de carbonato relativamente barato (50 euros).

En arqueología podemos básicamente distinguir entre 5 diferentes aplicaciones:
  1. estudios de origen: de donde viene la materia prima. Un ejemplo clásico es la determinación de la cantera del mármol de edificios y de esculturas, también el origen de minerales de metal (plomo), vidrio, también sílex, marisco
  2. estudios de paleo-dieta: qué se comía en el pasado. Se puede distinguir entre una dieta vegetariano, carnívoro, mixto, marino.
  3. estudios de paleoclimatología: en que fase climatológica se formó un determinado yacimiento. Gracias a los isotopos estables de oxigeno de perforaciones del hielo y de foraminíferos carbonáticos en el océano se ha podido reconstruir las variaciones climáticas de los últimos ciclos glaciales con un lujo de detalles.
  4. estudios migratorios: donde han estado hombres o animales. El suelo y el agua deja su signatura isotópica  en huesos y dientes. Los dientes se forman durante la primera fase de la vida, mientras que los huesos siguen registrando las signaturas de lugares de después de la juventud.
  5. estudios de autenticidad: los isotopos estables tienen el potencial de registrar las condiciones medioambientales en las cuales se desarrollan determinados procesos y dejar discriminar entre procesos naturales y artificiales.

Para saber más:

  1. N. Herz, E, G. Garrison Geological Methods for Archaelogy 1998
    Oxford University Press
  2. J. Hoefs 2009
    Stable Isotope Geochemistry
    Springer 6th Ed.
  3. Ricardo Guerrero y Mercedes Berlanga
    Isótopos estables: Fundamento y aplicaciones
    Descargable aquí