Historia Geológica
Desvelando la Historia Geológica con los Sistemas Isotópicos K-Ar, Ar-Ar y U-Pb
Este documento esencial explora en detalle la geocronología, la ciencia de datar rocas y minerales para comprender la escala de tiempo geológico. Se enfoca en tres métodos isotópicos fundamentales: el método K-Ar, su sofisticada variante el método ⁴⁰Ar/³⁹Ar, y el robusto método U-Th-Pb, destacando sus conceptos básicos, aplicaciones prácticas y presentando ejemplos de estudios geocronológicos integrales.
Isótopos como el Potasio (K) al Argón (Ar)
Descubre cómo el decaimiento radiactivo de isótopos como el Potasio (K) al Argón (Ar) y el Uranio (U) y el Torio (Th) al Plomo (Pb) permite a los geólogos determinar la edad de formación de minerales y rocas, así como eventos geológicos clave como el enfriamiento, el metamorfismo y la mineralización. Se explican las ventajas y limitaciones de cada método, incluyendo la importancia de la temperatura de cierre en el sistema K-Ar y los desafíos de la pérdida o incorporación de Ar y Pb.
Geocronología isotópica
Además, se introduce el poderoso método ⁴⁰Ar/³⁹Ar con su técnica de calentamiento por etapas y los diagramas de concordia utilizados en el método U-Pb para identificar y corregir la discordancia de edades. A través de ejemplos concretos en depósitos minerales y regiones geológicas, este recurso subraya la importancia de la geocronología isotópica para reconstruir la historia de nuestro planeta y comprender procesos geológicos fundamentales.
Contenido:
Geocronología de K-Ar y ⁴⁰Ar/³⁹Ar
- Potasio y Argón:
- El Potasio (K) es uno de los ocho elementos más abundantes en la corteza terrestre.
- El K es un elemento alcalino y el Argón (Ar) es un gas noble.
- Se presentan los isótopos de Potasio (⁴¹K, ⁴⁰K, ³⁹K) y Argón (⁴⁰Ar, ³⁹Ar, ³⁸Ar, ³⁷Ar, ³⁶Ar) con sus masas atómicas y abundancias naturales.
- El Método K-Ar:
- Ha sido ampliamente utilizado para datar minerales como feldespato potásico, muscovita, biotita y hornblenda.
- En Geología Económica, ha sido útil para datar tanto minerales magmáticos como minerales de alteración (biotita secundaria, sericita).
- Fue utilizado en depósitos minerales desde mediados de los 60 hasta principios de los 90.
- Las edades anteriores a 1977 deben ser recalculadas usando la nueva constante de decaimiento de Steiger y Jager (1977).
El Método K-Ar
- El Método K-Ar (Decaimiento ⁴⁰K):
- El ⁴⁰K decae en ramas por captura de electrón o emisión de positrón a ⁴⁰Ar, y por decaimiento beta a ⁴⁰Ca.
- La cantidad de ⁴⁰Ca producida es difícil de medir con precisión debido a la alta abundancia de ⁴⁰Ca no radiogénico en las rocas.
- Se presenta la vida media del ⁴⁰K: T₁/₂ = 11.93 B.Y..
- Se muestra la ecuación que relaciona la cantidad de ⁴⁰Ar radiogénico acumulado con la cantidad de ⁴⁰K presente y el tiempo.
- Se define el factor λe/λ, la razón entre la constante de decaimiento de ⁴⁰K a ⁴⁰Ar (λe = 0.581 x 10⁻¹⁰ a⁻¹) y la constante de decaimiento total del K (λ = 5.543 x 10⁻¹⁰ a⁻¹), que es la suma de λe y λβ (constante de decaimiento de ⁴⁰K a ⁴⁰Ca = 4.962 x 10⁻¹⁰ a⁻¹).
- Generalmente se asume que la cantidad de ⁴⁰Ar inicial (⁴⁰Ar₀) es ≈ 0 en la formación del mineral.
- Se presenta la ecuación para calcular la edad (t) utilizando las cantidades actuales de ⁴⁰K y ⁴⁰Ar radiogénico.
- Se enfatiza que esta ecuación es válida solo si el sistema ha permanecido cerrado (sin pérdida o incorporación de K ni Ar).
Limitaciones del Método K-Ar
- Limitaciones del Método K-Ar:
- Pérdida (o incorporación) de K en la muestra después de su formación, comúnmente durante alteración o metamorfismo.
- Pérdida de Ar radiogénico por alteración o metamorfismo.
- Argón inicial incorporado durante la formación de la muestra.
- Necesidad de corrección por Ar atmosférico (⁴⁰Ar/³⁶Ar = 295.5).
- La pérdida de Ar resulta en edades muy jóvenes, y el exceso de Ar en edades muy viejas.
- Difusión de Argón:
- El Argón no está ligado a la estructura cristalina de los minerales (gas noble), sino atrapado físicamente.
- El Ar puede escaparse en función de la temperatura (Ecuación de Arrhenius).
- La difusión a bajas temperaturas es despreciable, pero depende también del tamaño del grano.
- Temperatura de Cierre:
- El método K-Ar realmente determina el tiempo al cual el mineral se enfrió lo suficiente para evitar la pérdida de ⁴⁰Ar radiogénico.
- La Temperatura de Cierre es la temperatura a la cual el mineral se «cierra» con respecto a la pérdida de Ar.
- La edad obtenida por el método K-Ar generalmente será menor que la edad «real» si el enfriamiento no fue rápido.
- Las temperaturas de cierre son diferentes para cada mineral, lo que es útil para calcular razones de alzamiento.
- Minerales Comúnmente Utilizados para Dataciones K-Ar:
- Se presenta una tabla con minerales comunes (Hornblenda, Biotita, Muscovita, Illita, Alunita, Feldespatoides, Óxidos de Mn, Plagioclasa, Adularia, Microclina, Feldespato K) y sus rangos de temperatura de cierre y ambientes de formación (volcánico, plutónico, hidrotermal, metamórfico, sedimentario).
El Método ⁴⁰Ar/³⁹Ar
- El Método ⁴⁰Ar/³⁹Ar:
- Una desventaja del método K-Ar es que el Ar difunde o escapa fácilmente de muchos minerales, resultando en edades erróneas (más jóvenes).
- El Ar tiende a difundir más fácilmente de los bordes de un cristal que del centro.
- El método ⁴⁰Ar/³⁹Ar es una variante donde la muestra se irradia en un reactor nuclear para producir ³⁹Ar a partir de ³⁹K.
- El número de átomos de ³⁹Ar formados se puede calcular mediante una integral que involucra el número de átomos de ³⁹K, el tiempo de irradiación, el flujo de neutrones, la sección transversal de captura neutrónica y la energía de los neutrones.
- Se combinan las ecuaciones del decaimiento de ⁴⁰K y la producción de ³⁹Ar.
- Se introduce el parámetro «J», que se determina mediante un estándar de edad conocida («flux monitor») irradiado junto con la muestra.
Razón ⁴⁰Ar/³⁹Ar
- Si se determina la razón ⁴⁰Ar/³⁹Ar de una muestra irradiada, se puede calcular una edad.
- En la práctica, la muestra se calienta en una serie de etapas (step-heating) y la razón ⁴⁰Ar/³⁹Ar se determina para cada etapa, obteniendo una edad para cada etapa.
- Se presenta la ecuación para calcular la edad (t) en el método ⁴⁰Ar/³⁹Ar.
- Durante la irradiación, Ar también puede ser producido por Ca, Cl y K, lo que requiere múltiples correcciones.
- Se utilizan sales de Ca y K para el monitoreo durante la irradiación.
- En el calentamiento por etapas, una edad plateau se define si más del 50% del ³⁹Ar es liberado en dos o más pasos consecutivos.
- Se mencionan los diagramas de correlación (isocronas e isocronas inversas).
- Se presenta una comparación entre los métodos K-Ar y Ar/Ar en términos de límite de detección de Ar, identificación de exceso o pérdida de Ar, información de historia termal, tiempo de análisis, precisión analítica, método de determinación de K y Ar, y tamaño de muestra.
- Se muestran ejemplos de edades K/Ar en biotita y hornblenda de un intrusivo, con edades discordantes en hornblenda.
- Se proponen posibles interpretaciones para estas edades discordantes: reseteo de edades K/Ar por metamorfismo o exceso de ⁴⁰Ar en hornblenda.
- Se sugiere el análisis por ⁴⁰Ar/³⁹Ar en etapas para probar estas hipótesis.
- Se muestra un patrón de edades ⁴⁰Ar/³⁹Ar que revela exceso de Ar.
Geocronología de U, Th-Pb
- El Método U, Th-Pb:
- Basado en los tres siguientes esquemas de decaimiento radiactivo:
- ²³⁸U → ²⁰⁶Pb (T₁/₂ = 4.468 Ga)
- ²³⁵U → ²⁰⁷Pb (T₁/₂ = 0.704 Ga)
- ²³²Th → ²⁰⁸Pb (T₁/₂ = 14.01 Ga)
- El ²³⁸U es mucho más abundante que el ²³⁵U (aproximadamente 137.88 veces más).
- Se muestran las cadenas de decaimiento para ²³⁸U, ²³⁵U y ²³²Th, incluyendo los isótopos intermedios y sus vidas medias.
- Se presentan las ecuaciones que relacionan las cantidades de ²⁰⁶Pb*, ²⁰⁷Pb* y ²⁰⁸Pb* radiogénico con las cantidades de sus padres (²³⁸U, ²³⁵U, ²³²Th) y el tiempo.
- Con este geocronómetro se pueden obtener tres edades independientes de minerales o rocas que contengan tanto U como Th.
- Si las tres edades concuerdan, se dice que el sistema ha permanecido cerrado.
- Generalmente, las tres edades no concuerdan (son discordantes) debido a la pérdida de Pb o de elementos hijos intermedios.
- Basado en los tres siguientes esquemas de decaimiento radiactivo:
El Método Pb-Pb
- El Método Pb-Pb:
- Una forma de evitar el efecto de la pérdida de Pb o elementos intermedios es combinando dos de los geocronómetros de U-Pb.
- Se presentan las ecuaciones del método Pb-Pb, que relacionan las razones isotópicas de Pb y las constantes de decaimiento de U.
- El método Pb-Pb por lo general da edades más antiguas porque la razón de los isótopos de Pb no es sensible a la pérdida de Pb.
- Se muestran tablas con valores de ²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb en función de la edad (Ga) y los términos (e^(λ₂t) – 1) y (e^(λ₁t) – 1).
Circon (ZrSiO₄)
- CIRCON:
- El Circon (ZrSiO₄) es el mineral más comúnmente usado para dataciones de U-Pb.
- Es abundante en rocas félsicas y el mineral más abundante que contiene circonio.
- El Th⁴⁺ y el U⁴⁺ sustituyen al Zr⁴⁺ en su estructura cristalina.
- No incorpora o incorpora muy poco Pb común al formarse (ppb – ppt).
- Tiene una estructura cristalina «apretada» que retiene el U y el Pb radiogénico incluso a altas temperaturas (alta resistencia a la difusión).
- Entrega la edad de cristalización.
- Concentraciones de U ~ 100 a 1000 ppm.
- Es relativamente resistente a la alteración mecánica y química.
- Alta temperatura de cierre (Tc) ~ 800 °C.
- Tamaño de los granos ~100 micrones.
Edades discordantes
- DIAGRAMA DE CONCORDIA O DE WETHERILL:
- En un gráfico de ²⁰⁶Pb/²³⁸U vs. ²⁰⁷Pb/²³⁵U**, los puntos con edades concordantes caen en una curva llamada Concordia.
- Minerales que no han sufrido pérdida de Pb o U se mueven a través de la concordia con el tiempo.
- Puntos fuera de la concordia tienen edades discordantes.
- La concordia es curva porque el ²³⁵U decae mucho más rápido que el ²³⁸U.
- Método de datación por concordia:
- Las edades se basan en la concentración de ²⁰⁶Pb/²³⁸U y la composición isotópica ²⁰⁶/²⁰⁷ Pb, corrigiendo por Pb común.
- La razón ²⁰⁷/²³⁵ se calcula a partir de ²⁰⁶/²³⁸ y ²⁰⁶/²⁰⁷.
- LINEA DE DISCORDIA:
- Si hay pérdida de Pb, los circones caen a lo largo de una línea por debajo de la concordia llamada Discordia.
- El intercepto superior de la discordia con la concordia puede representar la edad de cristalización, y el intercepto inferior la edad de la pérdida de Pb (si ocurrió en un único evento).
- Se ilustra el efecto de la pérdida de Pb en el diagrama de concordia.
- Se explica el concepto de circones heredados (cristales jóvenes que crecen sobre circones más antiguos) y cómo se representan en el diagrama de concordia.
- Se muestra cómo la actividad hidrotermal que causa pérdida de Pb en circones heredados genera patrones complejos en el diagrama de concordia.
Actividad hidrotermal
- CATOLUMINISCENCIA:
- Se menciona como una técnica para observar el sobrecrecimiento de circón joven sobre un núcleo heredado.
- Pb Común:
- Todos los minerales incorporan algo de Pb común al cristalizar.
- Es necesario realizar una corrección por Pb común asumiendo una composición inicial.
- Se presentan las ecuaciones para realizar la corrección por Pb común.
- Corrección por Pb Común:
- Se describe brevemente el proceso de extracción de circones de rocas.
- Metodología de Análisis:
- Método Convencional: ID-TIMS (Isotope Dilution-Thermal Ionization Mass Spectrometry): Se describe el procedimiento, incluyendo abrasión, disolución, separación química y análisis.
- Método LA-ICPMS-MC: (Laser Ablation Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry Multi Collector): Se describe un procedimiento para la colocación y preparación de los circones para este método.
Geocronología de U-Pb
- Representación de Resultados:
- Se mencionan el Terra-Wasserburg Plot y el Weighted Average Plot.
- Otros Minerales Comúnmente Usados en Geocronología de U-Pb:
- Se listan otros minerales (Esfena, Apatita, Xenotima, Monazita, Rutilo) con información sobre su contenido de U y Th, razón ²⁰⁶/²⁰⁴, incertidumbre, temperatura de cierre y aplicaciones.
- Ejemplos de Estudios Integrales:
- Se muestra un rango de temperaturas de cierre de geocronómetros y termocronómetros.
- Se mencionan estudios en la Provincia del Suroeste Norteamericano y el Distrito Cananea, Sonora, México.
- Se presentan ejemplos de dataciones U-Pb y otros métodos en distritos mineros de Chile y Perú (Collahuasi, El Indio Muerto, El Teniente, Los Pelambres, Rio Blanco, Rosario, Ujina).
- Se explora la relación entre la longevidad del magmatismo y el contenido de Cu en varios depósitos.
Autor y Fecha de Publicación
- Autor: Fernando Barra, University of Arizona Department of Geosciences, Tucson, AZ.
- Fecha de Publicación: No se especifica una fecha de publicación en el documento proporcionado. Se infiere que es un material académico o de presentación dada su estructura y contenido.
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