Descripción general de la geoquímica del plomo (Pb)
Hasta la actualidad, se han identificado un total de 43 isótopos de plomo (Pb), incluyendo especies sintéticas muy inestables, pero principalmente hay cinco que se usan en investigación geoquímica (Figura 1). El plomo tiene cuatro isótopos relativamente estables: 204Pb, 206Pb, 207Pb y 208Pb; los tres últimos representan los extremos de las cadenas de descomposición. 206Pb se encuentra al final de la cadena de desintegración del uranio, 207Pb al final de la cadena de desintegración del actinio y 208Pb está al final de la cadena de desintegración del torio. 210Pb es un isótopo natural de vida corta con una vida media de 22,6 años; su conveniente vida media se usa ampliamente para datar la era glacial, sedimentos recientes y depósitos de turba.
Las cinco especies de isótopos de plomo que se usan generalmente en estudios geoquímicos.
Las proporciones isotópicas del plomo dentro de la cadena de desintegración del uranio son una función de la cantidad de uranio y torio presente. Los procesos geológicos afectan la cantidad de U y Th presente. Por eso los isótopos de plomo son una herramienta útil para comprender la naturaleza y el lapso de tiempo transcurrido en estos procesos. Dado que la composición isotópica de plomo del material geológico es una función de tres cadenas de desintegración independientes, existe un gran potencial de variabilidad isotópica en los minerales.
Más información sobre tipos de muestras y selección para análisis de plomo.
Geoquímica de Tierra Sólida / Petrología
Las proporciones isotópicas del plomo pueden utilizarse en la determinación de la edad y el rastreo petrogenético de rocas ígneas, metamórficas e hidrotermales. Debido a que existe una divergencia en el comportamiento químico entre el uranio, el torio y sus elementos hijas, muchos procesos geológicos pueden conducir a un extenso fraccionamiento de los diversos isótopos. Esto da como resultado patrones distintivos que permiten determinar la historia de las rocas. Por ejemplo, la composición isotópica de plomo de las rocas volcánicas y plutónicas se puede utilizar para identificar las fuentes de diversos tipos de magma que se originan en diferentes entornos tectónicos.
Pb isotope analyses of Pacific Ocean sediments and Mariana Active arc lavas, after Woodhead and Fraser, 1985.
Caracterización geoquímica: polvo y arqueología
Los patrones isotópicos distintivos del plomo que están presentes en diferentes litologías de rocas (y suelos suprayacentes) permiten correlacionar los isótopos de plomo con áreas específicas de la superficie terrestre. Como las diferentes rocas presentan distintas proporciones padre/hijo, esta propiedad se ha utilizado ampliamente para estudios de procedencia de materiales erosionados y meteorizados, es decir, el polvo. Por ejemplo, las fuentes de polvo tienen distintas huellas isotópicas de plomo, por lo tanto, el polvo que ha viajado largas distancias se puede rastrear hasta su región de origen.
Composición de isótopos de Pb del polvo recolectado en Barbados en comparación con varias fuentes potenciales en África, modificado según Bozlaker et al., 2018.
Esta caracterización geoquímica también se puede utilizar en estudios arqueológicos. Desde el inicio del estudio de metales antiguos, un objetivo importante fue establecer el orígen geológico del metal utilizado para fabricar artefactos metálicos particulares y, de esta manera, abordar directamente cuestiones de comercio, relaciones comerciales y movimiento de objetos. Dado que los isótopos de plomo no cambian su forma desde su origen geológico (o forma de mineral) con la fabricación del artefacto, este contiene información sobre la ubicación del lugar en el que se extrajo el plomo.
Detección de fuentes contaminantes
El plomo es un metal prescindible y tóxico cuyo ciclo biogeoquímico ha recibido un impacto significativo debido a la actividad humana. El plomo se incorpora en el ambiente durante la producción (incluyendo minería y fundición), uso (baterías, pigmentos, cerámica, plásticos), reciclaje, eliminación de compuestos de Pb, combustión de combustibles fósiles (carbón, antiguo uso de gasolina con plomo), uso de fertilizantes minerales y aplicación de lodos de depuradora, entre otras fuentes. Como resultado, es posible analizar diferentes isótopos de plomo para determinar el impacto humano a través del tiempo mediante la investigación de rangos únicos de isótopos de plomo que están correlacionados con tipos específicos de actividades humanas. En años recientes, ha aumentado el interés en los isótopos de plomo como herramienta para determinar la fuente y el origen (geogénico vs. antropogénico) de contaminación y evaluar la persistencia de esos elementos en el ambiente. Por ejemplo, los isótopos de plomo en la gasolina se pueden usar para analizar la fuente continental de la gasolina, así como cambios en la composición de la gasolina a través del tiempo.
Firma del isótopo Pb de la gasolina producida en diferentes continentes (panel izquierdo, según Larsen et al., 2012) y cambios en la firma de isótopos de Pb de la gasolina estadounidense a lo largo del tiempo (panel derecho, según Dunlap et al., 2008)
Estudios forenses
En muchos casos de homicidios suelen faltar evidencias físicas para identificar al autor del crimen. El análisis isotópico de plomo de pequeños fragmentos de material de bala pueden proporcionar una identificación positiva al culpable asumiendo que todos los cartuchos de bala dentro de un solo lote tienen la misma composición isotópica. Por ejemplo, diferentes marcas de balas a menudo tienen distintas firmas isotópicas de plomo. De esta manera, los isótopos de plomo pueden utilizarse para relacionar una bala encontrada en la escena del crimen con balas de posibles sospechosos. Este método es eficaz cuando la bala completa no está disponible para realizar pruebas balísticas.
Más información sobre análisis isotópicos en la geografía forense.
Firma isotópica de Pb de balas de diferentes fabricantes en todo el mundo (según Sjåstad et al., 2016).
Referencias
Bozlaker, A., Prospero, J.M., Price, J. and Chellam, S., (2018). Linking Barbados mineral dust aerosols to North African sources using elemental composition and radiogenic Sr, Nd, and Pb isotope signatures. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 123(2), pp.1384-1400. DOI: 10.1002/2017JD027505
Dunlap, C.E., Alpers, C.N., Bouse, R., Taylor, H.E., Unruh, D.M. and Flegal, A.R., (2008). The persistence of lead from past gasoline emissions and mining drainage in a large riparian system: Evidence from lead isotopes in the Sacramento River, California. Geochimica et Cosmochimica Acta, 72(24), pp.5935-5948. DOI: 10.1016/j.gca.2008.10.006
Larsen, M.M., Blusztajn, J.S., Andersen, O. and Dahllöf, I., (2012). Lead isotopes in marine surface sediments reveal historical use of leaded fuel. Journal of Environmental Monitoring, 14(11), pp.2893-2901. DOI: 10.1039/c2em30579h
Sjåstad, K.E., Lucy, D. and Andersen, T., (2016). Lead isotope ratios for bullets, forensic evaluation in a Bayesian paradigm. Talanta, 146, pp.62-70. DOI: 10.1016/j.talanta.2015.07.070
Woodhead, J.D. and Fraser, D.G., (1985). Pb, Sr and 10Be isotopic studies of volcanic rocks from the Northern Mariana Islands. Implications for magma genesis and crustal recycling in the Western Pacific. Geochimica et Cosmochimica Acta, 49(9), pp.1925-1930. DOI: 10.1016/0016-7037(85)90087-0