La geotermometría del titanio en el circón es una forma de técnica de geotermometría mediante la cual se puede estimar la temperatura de cristalización de un cristal de circón por la cantidad de átomos de titanio que solo se pueden encontrar en la red cristalina . En los cristales de circón, el titanio se incorpora comúnmente, reemplazando átomos de silicio y circonio con carga similar . Este proceso es relativamente poco afectado por la presión y depende en gran medida de la temperatura, y la cantidad de titanio incorporado aumenta exponencialmente con la temperatura, [1] [2] lo que lo convierte en un método de geotermometría preciso. Esta medición de titanio en circones se puede utilizar para estimar las temperaturas de enfriamiento del cristal e inferir las condiciones durante las cuales cristalizó. Los cambios de composición en los anillos de crecimiento de los cristales se pueden utilizar para estimar la historia termodinámica de todo el cristal. Este método es útil ya que se puede combinar con técnicas de datación radiométrica que se utilizan comúnmente con cristales de circón (ver geocronología del circón ), para correlacionar las mediciones de temperatura cuantitativas con edades absolutas específicas. Esta técnica se puede utilizar para estimar las condiciones de la Tierra primitiva, determinar facies metamórficas o determinar la fuente de circones detríticos , entre otros usos.
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El circón ((Zr 1–y , REE y )(SiO 4 ) 1–x (OH) 4x–y )) es un mineral de ortosilicato que se encuentra comúnmente como mineral accesorio en toda la corteza terrestre. [3] Debido a su estructura cristalina y geoquímica, el circón es un mineral comúnmente analizado debido a su utilidad para los geólogos como geocronómetro y geotermómetro.
Químicamente, el circón es un mineral particularmente útil debido a su capacidad de incorporar muchos oligoelementos. Muchos de estos elementos se pueden utilizar para la datación radiométrica para proporcionar una edad para el cristal. Se sabe que intercambia uranio , torio y elementos de tierras raras (REE) como itrio , [4] y lutecio . Sin embargo, las energías potenciales químicas de estas sustituciones de REE no se entienden bien, por lo que no son adecuadas para determinar las temperaturas de cristalización. El titanio también se incorpora al circón, y sus tasas de intercambio se han estudiado en detalle. Ti 4+ , un ion tetravalente, puede reemplazar Zr 4+ o Si 4+ en un mecanismo dependiente de la temperatura. Para circones en presencia de TiO 2 , es decir, el mineral rutilo , este proceso de sustitución es común y se puede medir. [1] El circón también es útil porque su incorporación de otros elementos como uranio, lutecio, samario , [5] y oxígeno [6] se puede analizar para proporcionar una mayor comprensión de la edad y las condiciones en las que creció el cristal.
En términos térmicos, el circón es resistente a los cambios de temperatura y a las condiciones extremas. Es estable hasta 1690 °C a presión ambiente y tiene una baja tasa de expansión térmica. Los cristales de circón también son algunos de los minerales de silicato más incompresibles. [3] La alta durabilidad de los circones también les permite cristalizar alrededor de otros minerales de silicato, creando bolsas o inclusiones de masas fundidas circundantes que son indicativas de magma a presiones y temperaturas específicas. Esto esencialmente forma una cápsula del tiempo que da una idea de las condiciones pasadas en las que se formó el cristal. [7]
Se sabe que los circones son relativamente retentivos de sus isótopos incorporados y, por lo tanto, muy útiles para estudios microcuantitativos. Los cationes como REE, [8] U, Th, Hf, [9] Pb , [10] y Ti [11] se difunden lentamente fuera de los circones, y sus cantidades medidas en el mineral son diagnósticas de las condiciones de fusión que rodean el cristal durante el crecimiento. Esta lenta tasa de difusión de muchos de los elementos incorporados hace que los cristales de circón tengan más probabilidades de formar zonificación compositiva, que puede representar zonificación oscilatoria o zonificación sectorial, a medida que la composición de la fusión o las condiciones de energía cambian alrededor del cristal con el tiempo. [12] Estas zonas muestran diferencias compositivas entre el núcleo y el borde del cristal, lo que proporciona evidencia observable de cambios en las condiciones de fusión. [13] Las tasas de difusión lentas también evitan la contaminación por fugas o pérdida de isótopos del cristal, lo que aumenta la probabilidad de que las mediciones cronológicas y compositivas sean precisas.
En esta sección se revisará el proceso de medición del contenido de titanio de los circones, comenzando con la recolección de muestras, la separación de minerales, el montaje para el análisis de microsonda y terminando con el análisis microcuantitativo de elementos. Una vez que se ha recolectado una roca, los circones se extraen utilizando una serie de técnicas, como el uso de un tamiz , un líquido pesado , una mesa vibratoria y la separación magnética para separar los minerales en función de las diferentes densidades y propiedades. Luego, los cristales de circón se montan en un portaobjetos de epoxi o metal en forma de disco, [14] donde se pueden afeitar hasta aproximadamente la mitad del espesor para revelar su estructura interna. Desde aquí, se pueden obtener imágenes utilizando catodoluminiscencia para hacer visible cualquier zonificación en el mineral. Si la zonificación es evidente, se pueden tomar múltiples mediciones de la abundancia de Ti desde el centro hasta el borde para dar la evolución de la temperatura del cristal.
El paso final consiste en medir la abundancia de titanio en una ubicación específica en un cristal de circón con una microsonda de iones. Para ello, se mide la composición química de los circones utilizando espectrometría de masas de iones secundarios . La muestra se bombardea con un haz de iones primarios y se miden la carga y la masa de los iones secundarios expulsados para determinar la composición química en el punto de contacto. A continuación, el valor cuantitativo del contenido de titanio se compara con una relación conocida de incorporación de titanio y temperatura para determinar la temperatura de cristalización de esa zona del circón. La relación titanio-temperatura se calculó utilizando circones datados radiométricamente in situ con temperaturas de fusión conocidas de la roca circundante. Esta medición de titanio en circones se puede realizar varias veces en circones zonificados, lo que puede registrar la evolución de la temperatura que resultó de muchos eventos geológicos. [1] [2] [15]
Con esta técnica, se pueden estimar las temperaturas de cristalización de los circones para estimar la temperatura de enfriamiento del cristal. Las técnicas de geotermometría como esta pueden proporcionar evidencia de los cambios de temperatura en diversos entornos, la evolución termodinámica de las rocas, el cambio gradual en el gradiente geotérmico a lo largo del tiempo geológico y determinar la procedencia de los sedimentos detríticos . Junto con las técnicas de geocronología que miden utilizando la desintegración radiométrica para datar una roca, como con la desintegración U/Pb, estas mediciones de paleotemperatura se pueden combinar con una edad absoluta para determinar los cambios de temperatura a lo largo del tiempo.
Hasta ahora, la geotermometría de titanio en circón se ha utilizado en rocas ígneas para estimar las temperaturas de enfriamiento del magma de los cristales de circón que datan de la era Hádica (>4,0 Ga). Las bajas temperaturas de cristalización de los circones de esta era sugieren que la Tierra Hádica contenía agua líquida, lo que redujo la temperatura de enfriamiento de los materiales de la corteza. [2] Potencialmente, la termometría de titanio en circón de los circones más antiguos de la Tierra puede mostrar la pérdida progresiva de calor desde una Tierra Hádica magmática hasta el inicio de la tectónica de placas a medida que la corteza del planeta comenzó a enfriarse y sufrió una deformación plástica. Esto proporcionará evidencia previamente desconocida de las condiciones en la Tierra primitiva y permitirá probar ideas sobre cómo evolucionó el planeta a través de los eones Hádico y Arcaico .
La geotermometría de titanio en circón se puede utilizar en circones encontrados en rocas metamórficas para estimar las condiciones de presión y temperatura durante el metamorfismo. Esto ayuda a identificar las facies metamórficas y, por lo tanto, el entorno geológico de una formación rocosa. [16] [17] También se puede utilizar en rocas sedimentarias para ayudar a determinar la fuente de minerales detríticos. Sin embargo, estos cristales a veces pueden estar contaminados por titanio externo que se filtra en las fracturas. [1] [15]
Se considera que la geotermometría de titanio en circonio es un método relativamente confiable y preciso para determinar las temperaturas de cristalización de los circones, con un error de solo 10 a 16 grados Celsius. [2] Sin embargo, existen varias limitaciones y suposiciones utilizadas en esta técnica que aumentan el margen de error.
La principal limitación de esta técnica es que sólo se puede utilizar en sistemas que contienen titanio o el mineral rutilo (TiO 2 ). En sistemas que no tienen titanio o tienen muy poco, este método no tiene sentido, ya que los circones no incorporarán titanio si no está presente en la masa magmática. [2] Sin embargo, modelos recientes han tenido en cuenta la capacidad del circón de sustituir al silicio o al circonio en el cristal por titanio utilizando actividades independientes del silicio y el circón. [18] Esto ha ampliado los usos potenciales de los circones de origen desconocido, debido a la abundancia de silicio en la corteza terrestre. En algunos cristales de circón, las inclusiones del mineral cuarzo (SiO 2 ) se pueden utilizar como prueba de que el silicio estaba presente durante la cristalización, lo que valida el uso de este geotermómetro.
Debido a la abundancia de elementos radiactivos que pueden incorporarse a los circones, estos también son susceptibles a sufrir daños por desintegración radiactiva a través del proceso de metamictización . A medida que los elementos radiactivos dentro de la red cristalina se desintegran, bombardean el interior del cristal con partículas radiactivas. Esto debilita el cristal y lo deja fracturado o destruido. [15] Esto aumenta la posibilidad de que los isótopos se filtren fuera del cristal y afecten las mediciones de titanio u otros elementos.
Otra dificultad de este microanálisis es la contaminación de titanio en las superficies externas. Estudios recientes han expresado preocupación por el recubrimiento de oro en la superficie de los soportes de las microsondas de iones , que contiene pequeñas cantidades de titanio (~1 ppm) que podrían generar un error durante la medición. En los circones detríticos encontrados en fuentes sedimentarias, un recubrimiento de óxido con titanio en la superficie y en las fracturas de los circones también puede contaminar el cristal con exceso de titanio. [1]
Estudios más recientes también han demostrado que existen factores desconocidos adicionales que contribuyen a la incorporación de Ti en circones. La actividad química de SiO 2 , la variación de presión, la cristalización en desequilibrio a partir de fundidos, el crecimiento tardío de cristales en fundidos hidratados o la sustitución no conforme a la Ley de Henry en cristales de circón pueden desempeñar un papel en la alteración de las temperaturas de cristalización previstas. [19]
Esta técnica también está limitada por varias suposiciones que, si bien son válidas, pueden resultar inconsistentes en ciertas situaciones. Los estudios de laboratorio han utilizado presiones constantes al calcular las temperaturas de enfriamiento y han asumido que la presión no juega un papel importante en la incorporación de titanio. Al estimar las temperaturas de enfriamiento, el aumento de la presión se explica por el aumento de las estimaciones de temperatura y, por lo tanto, aumenta la incertidumbre de las estimaciones. [18]