Aplicación del método de fechado por 210Pb en sistemas acuáticos de Andalucía Occidental

Abstract

En las últimas décadas, la preocupación general por la conservación del medio ambiente ha experimentado un notable auge. Uno de los factores a los que más se ha atribuido la degeneración de los sistemas naturales ha sido el incremento en las actividades humanas: industriales, mineras, agrícolas, etc. Para poder establecer con fiabilidad si ha existido influencia de carácter antropogénico sobre diferentes sistemas naturales y, en caso afirmativo, poder evaluar el impacto producido en ellos es necesario, en primer lugar, analizar la evolución temporal de los diferentes parámetros utilizados como indicadores de dicha influencia. Así, para poder afirmar con seguridad que existen incrementos respecto a los niveles de fondo en las concentraciones de un determinado elemento en un sistema natural, como consecuencia del desarrollo de una cierta actividad, es necesario, en primer lugar, saber cuales eran las concentraciones de dicho elemento en el sistema estudiado, antes de que empezase a desarrollarse dicha actividad. Desde este punto de vista, el estudio de la evolución temporal de las concentraciones de diferentes contaminantes generados por el hombre en distintos sistemas, es actualmente objeto de estudio en numerosos trabajos. De esta forma, el análisis de la evolución temporal de las concentraciones de distintos contaminantes en el medio ambiente requiere estudiar sistemas que reproduzcan fielmente dicha evolución. Desde este punto de vista, los sedimentos de diversos sistemas acuáticos constituyen una valiosa herramienta porque al ir formándose secuencialmente en el tiempo, los elementos contaminantes presentes en el sistema van incorporándose a ellos, quedando registrada la historia de la deposición de dichos elementos. Es decir, estos sedimentos se comportan como archivos naturales en los que queda almacenada una importante y variada información. Ahora bien, para poder analizar la evolución temporal de una determinada fuente de polución o de cualquier indicador en los sedimentos, es necesario establecer en ellos una cronología fiable que permita asociar las concentraciones a distintas profundidades de los diferentes elementos contaminantes con las fechas en las que se depositan. Por este motivo, el fechado de sedimentos constituye un campo científico al que se ha prestado un creciente interés paralelamente al de la preservación del medio ambiente. Entre los métodos de datación tradicionalmente más utilizados destacan especialmente los que están basados en la desintegración radiactiva de un radionúclido presente en los sedimentos, lo que hace que el fechado de estos constituya una de las aplicaciones paradigmáticas del estudio de la radiactividad ambiental. Por otra parte, como los incrementos más significativos en las actividades humanas se han producido en los últimos 200 años aproximadamente, se ha puesto especial énfasis en el desarrollo de métodos de fechado que cubran este intervalo temporal; particularmente se ha puesto de manifiesto que el método de fechado mediante 210Pb constituye una herramienta muy útil para fechar las capas de sedimentos que se han formado en el intervalo temporal en el que se han dado los mayores incrementos en las actividades humanas, ya que el periodo de semidesintegración de este radionúclido, 22.3 años, permite utilizarlo en un intervalo de hasta unos 150 años. En la mayoría de los trabajos realizados sobre fechado con 210Pb, los sistemas seleccionados presentan unas características que permiten adelantar la posibilidad de que la formación de los sedimentos en ellos haya seguido un proceso regular y uniforme. Generalmente, este método de fechado se ha aplicado a sedimentos de sistemas que se han visto poco perturbados durante su formación, como por ejemplo, lagos muy profundos o sistemas marinos en puntos alejados de la costa, y en zonas en las que las condiciones climáticas son muy estables, con un régimen de precipitaciones muy regular. En este trabajo, por el contrario, nos proponemos estudiar la posibilidad de fechar sedimentos de sistemas acuáticos en los que las condiciones de formación no pueden presuponerse, en principio, muy regulares ni siquiera que se hayan dado secuencialmente en el tiempo. En concreto, nosotros nos vamos a centrar en el estudio de la aplicabilidad del método de fechado por 210Pb en sedimentos de sistemas acuáticos de Andalucía Occidental, zona árida con precipitaciones poco frecuentes pero muy intensas, lo que puede dar lugar a perturbaciones en el proceso de formación de los sedimentos de dichos sistemas y, que como consecuencia, el establecimiento de cronologías mediante 210Pb en ellos, cuando es posible, no sea una tarea trivial. Este método de fechado ha sido utilizado en numerosas ocasiones en diferentes sistemas naturales, lo que podría inducir a pensar que su aplicación puede realizarse de una forma sistemática. Sin embargo, el establecimiento de cronologías con 210Pb no es una tarea trivial ya que en cada caso particular en el que se pretenda utilizar habrá que evaluar la información adicional de la que se dispone, proporcionada por un conjunto de parámetros y variables como posteriormente veremos, y, en función de ésta, decidir si la aplicación de este método de fechado es fiable o no. Además de los problemas que generalmente pueden presentarse en el intento de fechar sedimentos con 210Pb, nos hemos encontrado un inconveniente adicional. Este inconveniente ha consistido en que en algunos de los sistemas estudiados se desarrollan actividades industriales cuyos desechos están enriquecidos en radionúclidos de la serie del 238U y que, por tanto, constituyen fuentes de 210Pb de origen antropogénico que se incorporan a los sedimentos. El principal problema radica en que las actividades vertidas de este radionúclido no son conocidas ni fácilmente modelizables. Por este motivo, hemos tenido que desarrollar técnicas complementarias que nos permitiesen la obtención de cronologías en estos sedimentos. Por otra parte, en este estudio, hemos elegido un sistema lacustre de la provincia de Huelva (Laguna del Portil), un sistema estuario de la misma provincia (Estuario de los ríos Tinto y Odiel) y un sistema de la provincia de Cádiz (Bahía de Cádiz). Hay que indicar que las zonas de estudio fueron seleccionadas dentro de diferentes proyectos de investigación realizados conjuntamente con otros grupos. Por otra parte, como en este trabajo vamos a estudiar la aplicabilidad del método de fechado por 210Pb hemos considerado conveniente, en primer lugar, realizar una descripción detallada del ciclo de este radionúclido en la naturaleza para conocer cuál es su comportamiento en los diferentes sistemas analizados, como se incorpora a los sedimentos, etc. Esta descripción la hemos realizado en el capítulo 2. Además, en este capítulo también exponemos el fundamento teórico del método de fechado paro 210Pb; enunciamos y explicamos los modelos físico-matemáticos más utilizados en la datación con este radionúclido (cuándo son aplicables y en que hipótesis se fundamentan); y finalmente, hemos presentado un resumen de la aplicación de este método de fechado en diferentes sistemas y regiones del planeta. Para ello hemos realizado una extensa revisión bibliográfica de diferentes trabajos publicados en la literatura científica sobre este tema, lo que justifica la amplitud del capítulo 7 en el que se citan las fuentes bibliográficas utilizadas. En el capítulo 3 de esta memoria hemos descrito los sistemas experimentales utilizados por nosotros. Como en este trabajo vamos a tratar de fechar sedimentos mediante 210Pb es necesario determinar las actividades de este radionúclido en las diferentes capas de éstos. Este radionúclido lo hemos determinado por espectrometría alfa, a través del 210Po, descendiente del 210Pb y que se encuentra en equilibrio secular con él en sedimentos y también por espectrometría gamma, mediante una calibración en eficiencia original desarrollada por nosotros, que permite corregir los efectos de autoabsorción en la determinación de las actividades de 210Pb. También hemos introducido una discusión sobre límites de detección aplicándolo a la determinación de radionúclidos mediante espectrometría alfa y gamma. Por otra parte, la presentación de los resultados obtenidos en los diferentes sistemas acuáticos analizados en este trabajo la hemos dividido en dos capítulos atendiendo a la existencia o no de fuentes antropogénicas de 210Pb en los sedimentos de dichos sistemas. Así en el capítulo 4 presentamos el estudio de la aplicabilidad del método de fechado por 210Pb en sistemas en los que sus sedimentos prácticamente no presentan aportes antropogénicos de 210Pb: un sistema lacustre (Laguna del Portil) y un sistema marino (Bahía de Cádiz). En el capítulo 5 presentamos el estudio realizado en el Estuario de los ríos Tinto y Odiel (Estuario de Huelva), que sí está afectado por la actividad industrial desarrollada desde mediados de los años sesenta en un complejo químico situado en sus alrededores. En especial, la contaminación que afecta al fechado de sedimentos de esta zona geográfica mediante el método de 210Pb es la producida por dos fábricas de fertilizantes, cuyos vertidos liberan a las aguas del estuario concentraciones de actividad de radionúclidos de la serie del uranio, incluyendo 210Pb, en cantidades importantes como muestran estudios preliminares. El problema que se plantea a la hora de fechar los sedimentos contaminados por las industrias de fertilizantes es que no se conoce la actividad de 210Pb de origen antropogénico incorporada a los mismos. Por este motivo, nos hemos centrado en calcular cual es el alcance de la influencia de la contaminación en los sedimentos estudiados, es decir, hasta que profundidad están afectando los vertidos de las fábricas de fertilizantes en ellos. Esto lo hemos podido conseguir a partir de la revisión de trabajos anteriores que tratan sobre el impacto radiactivo de estas fábricas en este Estuario. En esta revisión, expuesta en la primera parte del capítulo 5, hemos podido caracterizar marcadores radiométricos que nos indican el alcance de la contaminación en los sedimentos estudiados. En la, en la que presentamos este estudio daremos más detalles. En el resto de este capítulo presentamos los resultados obtenidos en los diferentes sedimentos analizados. En estos sedimentos, una vez que hemos delimitado la influencia de la actividad industrial a través de los marcadores radiométricos encontrados, hemos estudiado la posibilidad de fecharlos mediante el método de datación por 210Pb. Hay que indicar que en el análisis de la aplicabilidad del método de fechado por 210Pb en los sistemas enunciados, hemos utilizado información adicional como por ejemplo: perfiles de agua intersticial, LOI, perfiles de 137Cs y radionúclidos naturales como isótopos de uranio, radio y torio, etc. Como las fechas obtenidas mediante el método de fechado por 210Pb es necesario validarlas, hemos utilizado los perfiles de 137Cs e información adicional en los casos estudiados. Finalmente, en el capítulo 6 presentamos un resumen y las conclusiones más relevantes que se deducen de este trabajo, y como ya hemos comentado, en el capítulo 7 indicamos las fuentes bibliográficas utilizadas en el desarrollo del mismo. A continuación expondremos las conclusiones más relevantes y resumiremos algunos de los resultados obtenidos en este trabajo en el que el objetivo principal ha consistido en estudiar la posibilidad de datar sedimentos de diferentes sistemas acuáticos de Andalucía Occidental, contaminados y no contaminados por radionúclidos de la serie del 238U, utilizando el método de fechado por 210Pb y métodos complementarios, fundamentalmente radiométricos, para tratar de ratificar las cronologías establecidas. 1. Hemos descrito detalladamente el ciclo del 210Pb en la naturaleza, aportando datos de flujos de 222Rn emanado a la atmósfera, tasas de incorporación del 210Pb a la atmósfera, tiempos de residencia del 210Pb en ella y tasas de aporta de este radionúclido a los sedimentos de los diferentes sistemas en los que se ha utilizado con frecuencia la datación mediante 210Pb. Asimismo, hemos realizado una extensa recopilación bibliográfica introduciendo los trabajos más relevantes desarrollados sobre datación con 210Pb y otros trabajos colaterales en los que se ha utilizado este radionúclido. También hemos descrito el método de fechado por 210Pb y se han expuesto pormenorizadamente los modelos tradicionalmente más usados en la datación con este radionúclido. 2. Hemos descrito los métodos experimentales utilizados en el desarrollo de este trabajo. En particular, para determinar el 210Pb mediante espectrometría gamma, hemos desarrollado un método que nos permite corregir los efectos de autoabsorción en muestras reales para la energía de emisión del 210Pb. Este método consiste básicamente en determinar una curva eficiencia-espesor de muestra, para una geometría de medida cilíndrica en la que solo variamos la altura, en una muestra de calibración. Entonces, la determinación de la eficiencia en muestras reales se hace corrigiendo por un factor de corrección que depende de las densidades y de los coeficientes de atenuación de las muestras reales y de calibración. Finalmente, también hemos hecho un estudio sobre límites de detección aplicándolo a la determinación de las actividades por espectrometría gamma y alfa. 3. Hemos estudiado la aplicabilidad del método de fechado por 210Pb en sedimentos de diferentes sistemas acuáticos: un sistema estuario (Estuario de los ríos Tinto y Odiel), un sistema lacustre (Laguna del Portil) y un sistema marino (Bahía de Cádiz). 4. En el sistema lacustre (Laguna del Portil) hemos comprobado la importancia que para el fechado de sedimentos tiene la elección del punto de colección. El estudio de un testigo tomado en un punto situado en un área con un gradiente pronunciado de profundidad nos ha permitido mostrar la utilizad que tiene el 210Pb como indicador de la capacidad de acumulación sedimentaria de una determinada zona en un sistema acuático. En otro testigo, tomado en la zona más profunda de la laguna, hemos discutido la posibilidad de existencia de mezcla en gran escala y no hemos encontrado evidencia de que se haya dado. Los perfiles de 137Cs y especialmente de 210Pb parecen indicar que la mezcla si existe, está afectando únicamente a la primera capa y que las fechas obtenidas no se ven significativamente influenciadas por ella. En este testigo hemos encontrado que las fechas obtenidas mediante el fechado por 210Pb muestran muy buen acuerdo con el fechado obtenido mediante el perfil de 137Cs, en el que se presenta un pico muy bien definido. 5. En los testigos sedimentarios de La Bahía de Cádiz, hemos visto que los contenidos en carbono orgánico, agua intersticial y las actividades específicas de 210Pb(210Po) y 226Ra, 137Cs y también isótopos de uranio en algunas de sus capas se han mostrado como parámetros muy útiles a la hora de establecer la capacidad acumulativa de un determinado sedimento. Esto es de especial importancia cuando se trata de estudiar los incrementos en actividades antropogénicas a partir de los registros que quedan marcados en los sedimentos de sistemas acuáticos. En particular, estos parámetros nos han permitido clasificar estos testigos en tres grupos: un primer grupo, formado por sedimentos fangosos formados por materiales con tamaño de grano fino por los que los radionúclidos muestran gran afinidad; el segundo grupo, formado por sedimentos arenosos, que están constituidos por partículas con tamaño de grano mayor y que han sido colectados en zonas de transporte; y finalmente, el tercer grupo, que está formado por testigos que presentan perfiles anómalos de carbono orgánico, agua intersticial y de 210Pb y 226Ra como consecuencia de las perturbaciones introducidas durante su formación. Hay que resaltar que ésta es una aplicación de la radiactividad ambiental, en general, y del 210Pb, en particular, muy extendida en la actualidad en el estudio de la dinámica geológica de diferentes sistemas acuáticos: la caracterización de zonas según su régimen sedimentario o de transporte. 6. Hay que resaltar que el perfil de agua intersticial es una herramienta especialmente valiosa a la hora de decidir la posibilidad de aplicar el método de fechado por 210Pb: en los testigos en los que los contenidos de agua intersticial son altos y no muestran anomalías hemos podido fechar con este método y, además, encontrar información adicional en el perfil de 137Cs para validar las fechas. Por el contrario, los testigos en los que no hemos podido validar las fechas obtenidas con 210Pb y en los que no hemos podido datar con este radionúclido los perfiles de agua intersticial presentaban ciertas anomalías, como hemos comentado a lo largo del trabajo, y que revelan la posibilidad de existencia de fenómenos de redisolución y redistribución que han afectado severamente los perfiles de 137Cs impidiendo que se obtenga información de ellos. Esto también lo encontramos en los testigos analizados del Estuario de Huelva. 7. En los sedimentos del Estuario de los ríos Tinto y Odiel que tienen aportes antropogénicos de 210Pb hemos encontrado que, como consecuencia de los vertidos de las fábricas de fertilizantes, el cociente 230Th/232Th toma valores muy superiores a los niveles típicos de sedimentos no contaminados. De esta forma, dada la gran afinidad del torio por la materia particulada que permite que no experimente movilidad una vez que se ha depositado, este cociente podemos usarlo como indicador de la influencia de dichos vertidos en sedimentos de esta zona y así, conociendo la fecha de inicio de la actividad industrial, encontramos un excelente marcador cronológico, que posibilita el establecimiento de razones de sedimentación medias en las capas de los testigos afectadas por dicha contaminación. Por otro lado, en el resto de las capas, en las que no existen aportes antropogénicos de 210Pb como indican los valores del cociente de isótopos de torio propios de sedimentos no contaminados, podemos aplicar el método de fechado por 210Pb consiguiendo de esta forma el establecimiento de cronologías en todo el testigo. De este modo obtenemos la datación de sedimentos de esta zona, altamente contaminados por radionúclidos de la serie del uranio, utilizando radionúclidos de esta serie, algo que constituye una novedad en la literatura científica en este campo. 8. También hemos encontrado que los cocientes 226Ra/228Ra proporcionan información sobre el alcance de la contaminación en los sedimentos del Estuario de Huelva. Como estos isótopos de radio los determinamos por espectrometría gamma, la influencia de los vertidos de las fábricas de fertilizantes puede determinarse más rápidos y de forma menos tediosa con este cociente que con el de isótopos de torio, que se determinan por espectrometría alfa. Sin embargo, los problemas que pueden derivarse de la mayor movilidad del radio que del torio en sistema acuáticos indican la conveniencia de determinar el cociente 230Th/232Th. Ahora bien, utilizando el cociente 226Ra/228Ra en primer lugar podemos limitar las capas en las que tendríamos que aplicar el cociente 230Th/232Th posteriormente, consiguiendo de este modo un importante ahorro de tiempo, dinero y esfuerzos. 9. Hemos estudiado distintos testigos del Estuario de Huelva, utilizando los cocientes de isótopos de torio 230Th/232Th y 226Ra/228Ra para determinar la influencia de la actividad industrial. Posteriormente hemos aplicado el método de fechado por 210Pb a la zona no contaminada de los testigos. En algunos de estos, especialmente los que presentaban perfiles de agua intersticial con valores altos y sin perturbaciones, las actividades de 137Cs han permitido validar la datación obtenida. Por otra parte, a partir de la información proporcionada por los perfiles de radionúclidos determinados (210Pb, isótopos de radio, uranio, torio, 137Cs, etc.), perfiles agua intersticial, LOI y en algunos casos, de metales pesados, hemos tenido que rechazar la posibilidad de establecer un fechado; sin embargo, a partir de los datos de radiactividad analizados sí hemos podido obtener información que nos permiten encontrar una justificación sobre los procesos que han afectado la formación de estos sedimentos. Finalmente, en un sedimento del Estuario de Huelva, aunque todos los parámetros indican la posibilidad de poder establecer un fechado con 210Pb, algunos problemas experimentales ocurridos durante la toma de muestra impidieron obtener un testigo sedimentario con la suficiente longitud y solo pudimos obtener información concerniente a la zona contaminada del testigo, es decir, el testigo sedimentario que obtuvimos se formó cuando ya se había establecido la actividad de las fábricas de fertilizantes.