En los años setenta, Loïc Le Ribault desarrolla un método revolucionario de análisis de las arenas, la exoscopia. Este método permite reconstruir la historia geológica y el origen de las arenas examinándolas al microscopio electrónico de barrido (MEB).
Con solo veinticuatro años presenta su primera comunicación sobre el tema ante la Academia de Ciencias, a la que seguirán muchas otras.
Entre 1973 y 1981, Le Ribault trabaja como investigador contratado en el laboratorio de oceanografía de la Universidad de Orsay. Después ocupa el puesto de jefe del servicio de microscopía electrónica en el laboratorio central de Total, en Burdeos, hasta 1981. Desde 1975 se le reconoce como «el investigador que ha descubierto las aplicaciones más importantes del microscopio electrónico en sedimentología».
Hoy la exoscopia se utiliza en todo el mundo, tanto en sedimentología como en geología minera, exploración petrolera, arqueología, oceanografía, obras públicas y criminalística.
«Basta contemplar un simple grano de arena y verás en él todas las maravillas de la Creación.»
Paulo Coelho, El Alquimista
Paseo por un grano de arena
Lo que hay que saber antes del viaje
La micra
La micra, también llamada micrómetro o µm, equivale a una milésima de milímetro. Es una escala muy distinta de los kilómetros que recorren los automovilistas por las autopistas: un kilómetro son mil millones de micras.
En esta sección, algunas fotografías llevan una barra de escala en µm y otras solo indican el aumento. Conviene saber que, a 1.000 aumentos, un centímetro de la fotografía representa 10 µm, y que a 10.000 aumentos representa solo 1 µm.
El microscopio electrónico de barrido
El vehículo de este viaje es el microscopio electrónico de barrido. Desde que empezó a utilizarse en los años sesenta ha mejorado considerablemente. En 1970 permitía aumentos progresivos de 10 a 20.000 veces; en 2004 ya se alcanzan los 900.000 aumentos.
A 20.000 aumentos, el diámetro de un grano de arena de un milímetro representa veinte metros, es decir, una superficie de un kilómetro cuadrado por explorar.
El principio de funcionamiento del MEB es el siguiente: un haz de electrones, finamente enfocado y desviado por lentes electromagnéticas, barre rápidamente la superficie de la muestra. Cuando los electrones primarios golpean la muestra, esta emite a su vez electrones secundarios que, mediante un efecto fotoeléctrico, forman una imagen luminosa en una pantalla o en una placa fotográfica.
Además, aprovechando las emisiones procedentes de la superficie de las muestras, el MEB no solo restituye la imagen morfológica de la muestra, sino que proporciona un análisis químico elemental gracias a los espectrómetros de dispersión de energía que pueden acoplarse a él.
La arena
En el lenguaje corriente, la arena es un material suelto formado principalmente por granos de cuarzo, los granos de arena. La mayoría tienen un diámetro de entre 1/16 de milímetro y 2 milímetros.
Las figuras siguientes muestran la exploración de la superficie de un grano de arena al microscopio electrónico de barrido. A 100 aumentos (figura 1) el grano se ve entero: tiene forma redondeada y superficie limpia, con varias depresiones circulares de gran tamaño y dos estrías horizontales profundas a la derecha de la imagen. Exploraremos la estría inferior. A 1.000 aumentos aparece un óvalo que corresponde a una diatomea, un alga unicelular que forma parte del plancton (figura 2), encerrada en una cápsula de sílice llamada frústulo, finamente ornamentada y formada por dos partes encajadas. El grano sobre el que descansa la diatomea es de cuarzo volcánico, y su superficie está cubierta en parte por una película de vidrio que se llenó de burbujas de aire al enfriarse: de ahí el aspecto alveolado del fondo de la estría. A 5.000 aumentos (figura 3) la diatomea se ve con claridad, alojada en el fondo de una de las antiguas burbujas de aire de la película de vidrio. A 10.000 aumentos (figura 4) se aprecian los menores detalles, incluida la unión entre las dos valvas del frústulo.
La solubilidad
La solubilidad de un cuerpo es la cantidad de sustancia que se disuelve en una cantidad dada de líquido.
Cuando ponemos un terrón de azúcar en una taza de café, se disuelve enseguida porque el café no está saturado de azúcar. Si añadimos varios terrones, solo se disolverán algunos y los demás quedarán en el fondo, porque el café se ha sobresaturado. Al cabo de un tiempo, parte del azúcar disuelto volverá incluso a depositarse en forma de pequeños glóbulos.
Este fenómeno se aplica a todo elemento sumergido o en contacto con un líquido. La solubilidad del cuarzo en el agua es de unos 7 a 15 miligramos por litro, mientras que la de la sílice amorfa es de 115 a 140 miligramos por litro: la sílice amorfa es mucho más soluble que el cuarzo y se disuelve antes.
La exoscopia de los cuarzos
El principio de la exoscopia de los cuarzos es sencillo: cada medio natural deja sobre los granos de cuarzo huellas de forma y tamaño específicos, debidas a factores físicos, químicos, mecánicos y biológicos. Cuando los granos cambian de medio, esas huellas se interpretan de manera específica según las características del nuevo entorno.
La exoscopia se basa en la identificación e interpretación de 250 caracteres básicos, que son como las letras de un alfabeto. Esos caracteres permiten determinar con precisión el lugar de depósito de un grano de arena, reconstruir su historia geológica y, en algunos casos, su origen geográfico.
En nuestro viaje solo veremos algunos de los caracteres más espectaculares. Bastarán para mostrar que, igual que ocurre con los seres humanos, es matemáticamente imposible encontrar dos granos de arena idénticos en todo. Cada grano lleva una multitud de informaciones específicas sobre su origen y sobre cada etapa de su existencia.
El nacimiento del cuarzo
Al comienzo de nuestra historia nace el cuarzo. Este cristal está compuesto de sílice anhidra, es decir, sin agua, y está formado por un átomo de silicio y dos de oxígeno.
Un cristal, sea cual sea su naturaleza, se forma como una casa, poco a poco. Las moléculas que lo componen son los ladrillos que se ordenan para constituir la estructura cristalina. La sal de cocina, el cloruro de sodio, cristaliza en el sistema cúbico; el cuarzo, en el sistema hexagonal.
Tomemos un cuarzo procedente de un granito. Cuando el magma, una masa viscosa que sube lentamente desde las profundidades de la Tierra, se enfría progresivamente, se forman distintos cristales: sobre todo micas, feldespatos y cuarzos. Estos últimos, que son los últimos en cristalizar, tienen que buscar espacio entre los demás cristales ya formados, lo que afecta a su forma: son informes, retorcidos, obligados a moldearse entre los cristales que cristalizaron antes. Se les llama cristales xenomorfos.
En una roca volcánica, en cambio, la lava sube rápidamente desde las profundidades como una masa viscosa y caliente y se solidifica al enfriarse en superficie. Esta vez los cuarzos tienen ocasión de cristalizar primero: sin limitaciones de espacio en el magma que se enfría, pueden adoptar magníficas formas cristalinas, como los cuarzos bipiramidados. Se les llama cristales automorfos, por su apariencia geométrica perfecta.
En esta etapa de su existencia, los nuevos cristales de cuarzo, automorfos o xenomorfos, están protegidos de las agresiones exteriores en el seno de la roca que los engendró, la roca madre. Conservan todos los caracteres adquiridos al nacer: tamaño, forma, inclusiones y apariencia.
Pero, incluso para un cuarzo, todo lo bueno se acaba. A medida que la roca madre se acerca a la superficie, queda sometida a procesos de alteración cada vez más agresivos.
La alteración de la roca madre
Poco a poco, las aguas de lluvia, el rocío, el hielo y diversos agentes agresivos, como los ácidos producidos por líquenes, plantas y bacterias, alteran cada vez más profundamente la roca madre. Las aguas cargadas de agentes agresores circulan desde la superficie a través de la roca.
En un primer momento, los fluidos que circulan por los poros están fuertemente subsaturados en sílice disuelta, y corroen los cristales de cuarzo. Esos ataques químicos dejan marcas duraderas en la superficie de los cristales: triángulos en hueco, testigos del orden perfecto de la estructura cristalina del cuarzo. Esos triángulos son en realidad los vestigios de moléculas de sílice disueltas por la corrosión: son las figuras de disolución.
Después, a medida que los líquidos corrosivos penetran en profundidad en la roca, se cargan de la sílice que disuelven cada vez en mayor cantidad, hasta saturarse. Entonces liberan esa sílice en forma de depósitos de sílice amorfa: glóbulos, películas escamosas o magníficas flores de sílice.
Los primeros pasos
Bajo el efecto de los ataques químicos, la roca madre pierde cohesión y se desintegra progresivamente, liberando parte de sus minerales en forma de granos de arena. Esa acumulación de granos es lo que se llama una arena de alteración. En el caso de un granito, es una mezcla de cristales de feldespato, cuarzo y mica. La lluvia, el hielo y la disolución hacen desaparecer los elementos más frágiles y solubles y dejan solo los cristales resistentes, en particular el cuarzo.
El espesor de esa arena puede ser considerable y dar lugar a un suelo más o menos grueso. En esta fase los granos aún no han sido transportados y están totalmente inmóviles; sus únicos movimientos se deben a la fauna del suelo, como lombrices y hormigas.
Luego, con las precipitaciones, la arena o el suelo son arrastrados y los granos de cuarzo acaban llegando a un curso de agua. Ahí empieza su verdadera existencia como granos de arena.
El hielo
En las regiones de clima frío, los granos quedan a menudo sometidos a la acción de los glaciares. Cuando se comprimen con fuerza unos contra otros se forman figuras de trituración de morfología característica, que revelan una presión ejercida con movimiento circular.
Ríos, estanques y lagos
El agua dulce de ríos, torrentes, lagos o estanques contiene por término medio veinte miligramos de sílice disuelta por litro. Está, por tanto, subsaturada en sílice amorfa (que disolverá) pero no en cuarzo (que no podrá disolver).
Lo que más daña los cristales de cuarzo es el transporte, durante el cual rozan unos contra otros. Las partes más expuestas son las aristas de los granos, marcadas por huellas de choque y de desgaste, desde los contornos angulosos de los más recientes hasta los contornos romos de los más antiguos, con todas las variantes intermedias. Esas huellas son más visibles y más numerosas cuanto mayor es la energía del transporte.
El roce de los granos entre sí desgasta progresivamente sus aristas más agudas. En la figura correspondiente se observan diatomeas fluviales fijadas por depósitos de sílice amorfa sobre las superficies planas y en los huecos, con los bordes ligeramente pulidos y huellas de choque.
En los lagos y estanques, medios de muy baja energía, los granos no se remueven; al contrario, pueden quedar tapizados de arcilla.
Más o menos deprisa según la energía del transporte, nuestro grano se dirige después hacia el mar y llega a una playa.
Las playas marinas
El agua de mar tiene una concentración muy baja de sílice disuelta, inferior a un miligramo por litro por término medio, con un máximo de cuatro. Está subsaturada no solo en sílice amorfa sino también en cuarzo. Incluso en las zonas del océano con mayor concentración de sílice disuelta, la saturación respecto al cuarzo es solo del diez por ciento de la de la sílice amorfa.
Las playas marinas se caracterizan por las mareas, que forman la llamada zona intermareal. Durante la marea alta, las arenas quedan sumergidas en un agua muy poco saturada en sílice disuelta y sometidas a un batido más o menos intenso según la fuerza de las olas. Las aristas de los granos reciben huellas de choque con gradiente de pulido, parecidas a las de los ríos. Pero ocurre algo más: el agua de mar corroe esas huellas de choque y genera figuras de disolución similares a las de los suelos, localizadas específicamente en las aristas.
Durante la marea baja, los granos quedan expuestos al aire. Su superficie, rara vez lisa, presenta depresiones en las que se estancan minúsculas gotas de agua de mar. A escala microscópica, esas gotas son verdaderos estanques salados donde pueden vivir diatomeas y bacterias. A medida que el agua se evapora, la cantidad de sílice disuelta se mantiene y se produce una sobresaturación: la sílice precipita en depósitos globulosos que van encerrando poco a poco a los microorganismos que viven en las depresiones.
El viento
Cuando el viento sopla durante la marea baja, los granos emergidos quedan expuestos a la eolización. Ya no los protege una película de agua, chocan violentamente entre sí y se forman huellas características: según la intensidad del impacto, V de choque o medias lunas de choque. Recién formadas presentan ángulos vivos, y solo se pulirán si los granos vuelven al agua de mar y se baten de nuevo.
Si no, los granos empujados hacia tierra se acumulan en dunas litorales que dominan las playas. Allí, la sal (cloruro de sodio) provoca a veces la formación de flores de sílice ortogonales.
El medio submarino
El medio submarino, entre las mareas más altas y las profundidades abisales, permanece siempre sumergido. En él los granos de arena están en contacto permanente con un agua de mar deficitaria en sílice amorfa e incluso en cuarzo.
Los granos van perdiendo todos los depósitos silíceos que los recubren y su superficie queda extremadamente limpia. Después es el propio cuarzo el atacado, y aparecen nuevas figuras de disolución que van excavando las antiguas huellas de choque de los episodios sedimentarios anteriores. La figura correspondiente muestra medias lunas de choque eólicas explotadas por la disolución, en las que aparecen las características figuras triangulares en hueco.
El descanso de la arena
A veces los cuarzos hacen altos en su viaje, sobre todo cuando se depositan en ambientes de baja energía, como las marismas.
Allí reinan condiciones fisicoquímicas y orgánicas muy particulares: sobre los granos aparecen microcristales variados y partículas de arcilla se pegan a su superficie.
Cuando esos altos se prolongan, a veces durante millones de años, puede producirse una regeneración completa de los granos. Por el interior de la capa de arena inmovilizada circulan fluidos ricos en sílice disuelta; cuando esa sílice precipita, se forman minúsculos cristales de cuarzo sobre los granos. Con el tiempo, esos microcristales crecen hasta cubrir por completo el soporte y los granos quedan cementados unos a otros. Así se forman las areniscas, que pueden encontrarse en superficie, como las de Fontainebleau, o en profundidad, como las areniscas diagenéticas, que pueden ser yacimientos de petróleo.
Cuando esas rocas se alteran por cambios climáticos o erosión, la arenisca se disgrega y libera granos enteramente regenerados: los nuevos crecimientos cristalinos han borrado las cicatrices antiguas.
Esos granos sin memoria, aparentemente vírgenes de toda vida anterior, parten entonces hacia nuevas aventuras eternas.
El hombre de Tautavel
El estudio de las arenas de la Caune de l'Arago es un ejemplo notable de aplicación de la exoscopia. El pueblo de Tautavel es conocido por sus vinos moscatel, pero alberga también una cueva, la Caune de l'Arago, mencionada por primera vez por el naturalista Marcel de Serres en 1838 y redescubierta en 1948 por Jean Abélanet, que observó en ella vestigios de industrias prehistóricas. Entre 1948 y 1962 investigaron aficionados locales, y desde 1964 Henry de Lumley organizó cada verano campañas de excavación.
El primer cráneo humano se descubrió el 22 de julio de 1971: pertenecía a un Homo erectus de unos 450.000 años. Después salieron a la luz otros cráneos y numerosos huesos. Para determinar el entorno en que vivía el hombre de Tautavel se emplearon todos los métodos científicos, incluida la exoscopia.
Los granos de arena de la Caune de l'Arago conservan huellas de su alteración inicial, seguida de un largo transporte fluvial y de una exposición al aire libre en un clima árido. Las arenas fueron removidas después por un río que acabó abandonándolas. Los aluviones sufrieron luego importantes procesos de formación de suelos, antes de ser desplazados de nuevo por violentas rachas de viento y depositados a la entrada de la cueva, en la que algunos elementos pudieron penetrar gracias a la escorrentía.
En conjunto, el estudio exoscópico de las arenas de la Caune de l'Arago permite reconstruir la evolución del entorno en que vivió el hombre de Tautavel hace cientos de miles de años.
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