Radio y Geología

El uranio-238 es un radionúclido primordial con una vida media de 4,47 mil millones de años. Encabeza una cadena de desintegración (la "serie del uranio" o "serie 4n+2") que termina en plomo-206 estable. Los pasos que conducen al radio y al radón son:

²³⁸U → ²³⁴Th (alfa, 4,47 mil millones de años) → ²³⁴Pa (beta, 24,1 días) → ²³⁴U (beta, 6,7 horas) → ²³⁰Th (alfa, 245.500 años) → ²²⁶Ra (alfa, 75.400 años) → ²²²Rn (alfa, 1600 años) → continuando hasta ²⁰⁶Pb estable

El radio-226 es la "quinta hija" del ²³⁸U, producido directamente de la desintegración del ²³⁰Th. Esta posición es crítica: varios nucleidos intermedios (²³⁴U, ²³⁰Th, ²²⁶Ra) tienen vidas medias largas, permitiendo que sean físicamente separados del uranio progenitor por procesos geológicos y migren independientemente. (Aprende más sobre las propiedades fundamentales del radón.)

La vida media de 1600 años del ²²⁶Ra sostiene un suministro constante de ²²²Rn a lo largo de escalas de tiempo humanas y geológicas. Donde el ²²⁶Ra se encuentra en suelo y roca, el radón se genera continuamente.

El radio (Ra, número atómico 88) es el miembro más pesado del Grupo 2: los metales alcalinotérreos (Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra). Su configuración electrónica es [Rn] 7s², y pierde fácilmente sus dos electrones de valencia para formar un catión Ra²⁺. El estado de oxidación +2 es esencialmente el único estado que el radio adopta en la naturaleza.

La química del radio se asemeja mucho al bario, razón por la cual Marie y Pierre Curie usaron bario como portador para concentrar radio de la pechblenda. Debido a que el radio es químicamente similar al calcio, el radio que ingresa al cuerpo se deposita principalmente en los huesos, donde emite una dosis de radiación interna a largo plazo.

El radio es un metal blanco plateado que se ennegrece al exponerse al aire, reacciona con agua e imparte un color rojo carmín a las llamas. Tiene una densidad de aproximadamente 5,5 g/cm³ y un peso atómico estándar cercano a 226.

El radio tiene 34 isótopos conocidos, todos radiactivos. Cuatro ocurren naturalmente como miembros de las tres series de desintegración primordiales:

Solo el ²²⁶Ra importa para el radón interior. Su vida media de 1600 años asegura la generación persistente de radón, y su descendiente ²²²Rn vive lo suficiente (3,82 días) para migrar a través del suelo a los edificios. Por el contrario, el ²²⁴Ra produce torón (²²⁰Rn, vida media de 55,6 s), que se desintegra demasiado rápido para viajar lejos.

El radio es demasiado escaso para formar sus propios minerales; en su lugar se sustituye en las redes cristalinas de minerales de bario, estroncio y calcio. La sustitución se rige por la carga iónica (todos son 2+) y el radio iónico. La tendencia de tamaño es Ra²⁺ > Ba²⁺ > Sr²⁺ > Ca²⁺.

Debido a que Ra²⁺ es más cercano en tamaño a Ba²⁺, los minerales de bario (especialmente la barita, BaSO₄) son los mejores huéspedes. La barita y el sulfato de radio (RaSO₄) son isoestructurales, haciendo de la barita un portador casi ideal de radio.

Diferentes minerales tienen afinidades variables por el radio basadas en la coincidencia de tamaño entre Ra²⁺ y el catión huésped. La barita (BaSO₄) es el huésped casi perfecto, mientras que los minerales de carbonato de calcio muestran baja afinidad.

La movilidad del radio está controlada por la geoquímica local. En agua oxidante rica en sulfato, el Ra²⁺ co-precipita con barita como solución sólida (Ra,Ba)SO₄, inmovilizándolo. Este es el sumidero de radio más importante.

Bajo condiciones reductoras o en agua agotada en sulfato, la barita se disuelve y el radio se libera en solución. El radio es más móvil en acuíferos reductores, agua de pH bajo y ambientes de alta salinidad donde cationes competidores (Ca²⁺, Ba²⁺, Na⁺) desplazan al Ra²⁺ de los sitios de adsorción.

El retroceso alfa (la eyección física de un átomo de ²²⁶Ra recién formado cuando su progenitor ²³⁰Th se desintegra) puede liberar radio (y radón) de superficies minerales al agua de poro, suministrando radio disuelto "fresco" independientemente de la disolución masiva.

A baja salinidad, el radio se adsorbe en arcillas, óxidos de hierro y manganeso y materia orgánica, reduciendo su movilidad.

El promedio global de radio-226 en suelo es de aproximadamente 35 Bq/kg (UNSCEAR 2000), con un rango reportado de 1-900 Bq/kg. Las rocas ígneas como el granito tienden a ser más altas; los carbonatos y muchas areniscas más bajas; las lutitas negras y rocas fosfáticas mucho más altas.

El equilibrio secular ocurre cuando un progenitor de vida muy larga (como el ²³⁸U) alimenta una hija de vida más corta: dado suficiente tiempo en un sistema cerrado, la actividad de la hija aumenta hasta igualar la del progenitor, y cada miembro de la cadena se desintegra a la misma velocidad.

El desequilibrio surge cuando procesos químicos o físicos separan a los miembros de la cadena. En la serie del ²³⁸U esto es común porque varios intermedios tienen vidas largas y son químicamente móviles:

El uranio es soluble bajo condiciones oxidantes y es lixiviado por agua subterránea, dejando atrás ²³⁰Th y ²²⁶Ra. El radio puede ser preferencialmente disuelto, adsorbido o co-precipitado, desacoplándolo de su progenitor e hija. El radón es un gas y escapa.

Debido a que ²³⁴U, ²³⁰Th y ²²⁶Ra tienen vidas medias de decenas a cientos de miles de años, el desequilibrio puede persistir durante milenios. La cadena del ²³⁸U puede tardar un millón de años en restablecer el equilibrio después de una perturbación mayor.

Implicación práctica: el uranio medido en roca no predice confiablemente el radio o el radón; los dos pueden estar muy desincronizados. Esta es una causa raíz de los niveles impredecibles de radón.

El potencial de radón es notoriamente local. Aproximadamente el 33% de la población de EE.UU. vive en provincias geológicas donde el radón interior promedio tiene el potencial de superar 4 pCi/L (USGS). Las concentraciones de radón en viviendas varían en más de dos órdenes de magnitud.

Varios factores independientes se acumulan, y cada uno puede cambiar en distancias cortas:

1. Contenido de uranio/radio en la roca madre: Diferentes unidades de roca contienen uranio muy diferente. Un granito rico en uranio puede estar junto a una arenisca pobre en uranio. Los contactos geológicos, plutones y lechos sedimentarios cambian en metros a cientos de metros.

2. Fracturas y estructura: Las fallas, juntas y zonas de cizalla canalizan radón desde la profundidad a la superficie. Una casa sobre una fractura puede tener mucho más radón que un vecino sobre terreno no fracturado cercano.

3. Mineralogía y desequilibrio de radio: El radio puede ser lixiviado o concentrado en minerales específicos (barita, fosfatos, arcillas, óxidos de Fe/Mn), por lo que el radio disponible en la superficie puede no seguir al uranio a granel.

4. Permeabilidad y humedad del suelo: El radón se mueve menos de una pulgada en suelo saturado de agua pero puede moverse varios pies a través de material seco y permeable. La permeabilidad puede cambiar abruptamente.

5. Movimiento de agua subterránea: Las rutas de flujo local, la profundidad del nivel freático y las zonas de recarga redistribuyen radón y radio.

6. Cobertura glacial y superficial: El till glacial grueso puede enmascarar o amplificar la señal de radón de la roca madre.

Debido a que estos factores se combinan multiplicativamente y cada uno varía en escalas de metros a kilómetros, dos sitios cercanos pueden tener un potencial de radón muy diferente. Esta es la razón por la cual las mediciones específicas del sitio, no solo un mapa regional, son esenciales.