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Geocronología del circonio detrítico

Fig. 1 – Granos de circón en la vida real (moneda a escala)

La geocronología del circonio detrítico es la ciencia que analiza la edad de los circones depositados dentro de una unidad sedimentaria específica mediante el examen de sus radioisótopos inherentes , más comúnmente la relación uranio-plomo . El circonio es un componente mineral accesorio o traza común de la mayoría de las rocas ígneas félsicas y de granito . Debido a su dureza, durabilidad e inercia química, el circón persiste en depósitos sedimentarios y es un componente común de la mayoría de las arenas. Los circones contienen trazas de uranio y torio y pueden datarse utilizando varias técnicas analíticas modernas.

La geocronología del circonio detrítico se ha vuelto cada vez más popular en los estudios geológicos desde la década de 2000, principalmente debido al avance de las técnicas de datación radiométrica . [1] [2] Los datos de edad del circón detrítico se pueden utilizar para limitar la edad máxima de depósito, determinar la procedencia , [3] y reconstruir el entorno tectónico a escala regional. [4]

circón detrítico

Origen

Los circones detríticos forman parte del sedimento derivado de la meteorización y erosión de rocas preexistentes. Dado que los circones son pesados ​​y muy resistentes en la superficie de la Tierra, [5] muchos circones se transportan, depositan y conservan como granos detríticos de circonio en rocas sedimentarias . [3]

Fig. 2 – Diagrama simple que ilustra la formación de circones ígneos, los procesos por los cuales se convierten en circones detríticos y las diferencias entre circones ígneos y detríticos.

Propiedades

Los circones detríticos suelen conservar propiedades similares a las de sus rocas ígneas originales , como la edad, el tamaño rugoso y la química mineral. [6] [7] Sin embargo, la composición de los circones detríticos no está completamente controlada por la cristalización del mineral de circonio. De hecho, muchos de ellos son modificados por procesos posteriores en el ciclo sedimentario. Dependiendo del grado de clasificación física, abrasión mecánica y disolución, un grano de circón detrítico puede perder algunas de sus características inherentes y adquirir algunas propiedades sobreimpresas, como forma redondeada y tamaño más pequeño. [5] A mayor escala, dos o más tribus de circones detríticos de diferentes orígenes pueden depositarse dentro de la misma cuenca sedimentaria . Esto da lugar a una complejidad natural a la hora de asociar poblaciones de circones detríticos y sus fuentes. [3]

El circonio es una potente herramienta para determinar la edad del uranio y el plomo debido a sus propiedades inherentes: [8]

  1. El circonio contiene una gran cantidad de uranio para el reconocimiento automático, normalmente entre 100 y 1000 ppm. [8]
  2. El circonio tiene una baja cantidad de plomo durante la cristalización, en partes por billón. [8] Por lo tanto, el plomo encontrado en el circón puede asumirse como núcleos hijos del uranio original.
  3. Los cristales de circonio crecen entre 600 y 1100 °C, mientras que el plomo se retiene dentro de la estructura cristalina por debajo de 800 °C (ver Temperatura de cierre ). Así, una vez que el circón se ha enfriado por debajo de los 800 °C, retiene todo el plomo de la desintegración radiactiva. Por lo tanto, la edad U-Pb puede tratarse como la edad de cristalización, [8] si el mineral/muestra en sí no ha sufrido metamorfismo a alta temperatura después de su formación.
  4. El circonio comúnmente cristaliza en rocas ígneas félsicas , con más del 60% de contenido de sílice (SiO 2 ). [4] Estas rocas son generalmente menos densas y más flotantes. Se encuentran en lo alto de la Tierra ( corteza continental ) y tienen un buen potencial de conservación .
  5. El circonio es física y químicamente resistente, por lo que es más probable que se conserve en el ciclo sedimentario. [8]
  6. El circonio contiene otros elementos que proporcionan información complementaria, como el hafnio (Hf), la relación uranio/torio (U/Th). [8]

Coleccion de muestra

No existen reglas establecidas para la selección de muestras en estudios de geocronología de circonio detrítico. El objetivo y la escala del proyecto de investigación rigen el tipo y número de muestras tomadas. En algunos casos, el tipo de roca sedimentaria y el entorno de depósito pueden afectar significativamente el resultado. [3] Los ejemplos incluyen:

Extracción de circonio detrítico

Después de recolectar las muestras de roca, se limpian, se cortan, se trituran y se muelen mediante procedimientos estandarizados. Luego, los circones detríticos se separan del fino polvo de roca de tres maneras diferentes: separación por gravedad con agua, separación magnética y separación por gravedad con líquido pesado. [11] Durante el proceso, los granos también se tamizan según su tamaño. El tamaño de grano comúnmente utilizado para el análisis de procedencia del circón detrítico es de 63 a 125 μm, lo que equivale al tamaño de grano de arena fina. [12]

Tipo de análisis de circonio detrítico

Hay dos tipos principales de análisis de circonio detrítico: análisis cualitativo y análisis cuantitativo. La mayor ventaja del análisis cualitativo es poder descubrir todos los orígenes posibles de la unidad sedimentaria, mientras que el análisis cuantitativo debería permitir una comparación significativa de las proporciones de la muestra. [3]

Analisis cualitativo

El enfoque cualitativo examina todos los circones detríticos disponibles individualmente, independientemente de su abundancia entre todos los granos. [13] [14] Este enfoque generalmente se lleva a cabo con espectrometría de masas de ionización térmica (TIMS) de alta precisión y, a veces, espectrometría de masas de iones secundarios (SIMS). [3] El examen óptico y la clasificación de los granos de circón detrítico se incluyen comúnmente en estudios cualitativos mediante electrones de retrodispersión (BSE) o imágenes de catodoluminiscencia (CL), [3] a pesar de que la relación entre la edad y la clasificación óptica de los granos de circón detrítico no es siempre confiable. [15]

Análisis cuantitativo

El enfoque cuantitativo requiere una gran cantidad de análisis de granos dentro de una muestra de roca para representar estadísticamente la población general de circonio detrítico [3] (es decir, el número total de análisis debe alcanzar un nivel apropiado de confianza ). [16] Debido al gran tamaño de la muestra, se utilizan espectrometría de masas de iones secundarios (SIMS) y espectrometría de masas de plasma acoplado inductivamente por ablación con láser ( LA-ICPMS ) en lugar de espectrometría de masas de ionización térmica (TIMS). En este caso, se aplican imágenes BSE y CL para seleccionar el mejor lugar en un grano de circón para adquirir una edad confiable. [17]

Métodos

Los diferentes métodos de análisis del circonio detrítico producen resultados diferentes. Generalmente, los investigadores incluirían los métodos/instrumentos analíticos que utilizaron en sus estudios. Generalmente existen tres categorías, que son los instrumentos utilizados para el análisis de circón, sus estándares de calibración y los instrumentos utilizados para la obtención de imágenes de circón. Los detalles se enumeran en la Tabla 1.

Datos de circón detrítico

Dependiendo del estudio del circonio detrítico, se deben incluir diferentes variables para el análisis. Hay dos tipos principales de datos: datos de circón analizados (datos cuantificables e imágenes/datos descriptivos) y datos de muestra (de donde extraen los granos de circón). Los detalles se enumeran en la Tabla 2.

Filtrado de datos de circonio detrítico

Todos los datos adquiridos de primera mano deben limpiarse antes de su uso para evitar errores, normalmente por ordenador.

Por discordancia de edad U-Pb

Antes de aplicar edades de circón detrítico, se deben evaluar y seleccionar en consecuencia. En la mayoría de los casos, los datos se comparan gráficamente con U-Pb Concordia. Sin embargo, para un conjunto de datos grande, los datos con una alta discordancia de edad U-Pb (>10 – 30%) se filtran numéricamente. El nivel de discordancia aceptable a menudo se ajusta con la edad del circón detrítico, ya que la población de mayor edad debería experimentar mayores posibilidades de alteración y proyectar una mayor discordancia. [19] (Ver Datación uranio-plomo )

Eligiendo la mejor edad

Debido a las incertidumbres intrínsecas dentro de las tres edades de rendimiento U-Pb ( 207 Pb/ 235 U, 206 Pb/ 238 U y 207 Pb/ 206 Pb), la edad de ~1,4 Ga tiene la resolución más pobre. Un consenso general para la edad con mayor precisión es adoptar:

Por agrupación de datos

Dada la posibilidad de edades concordantes pero incorrectas del circón detrítico U-Pb asociadas con la pérdida de plomo o la inclusión de componentes más antiguos, algunos científicos aplican la selección de datos mediante la agrupación y la comparación de edades. Tres o más datos que se superpongan dentro de una incertidumbre de ±2σ se clasificarían como una población de edad válida de un origen de fuente particular. [19]

Por incertidumbre de edad (±σ)

No existe un límite establecido para la incertidumbre de la edad y el valor de corte varía según los diferentes requisitos de precisión. Aunque excluir datos con una gran incertidumbre sobre la edad mejoraría la precisión general de la edad del grano de circón, una eliminación excesiva puede reducir la confiabilidad general de la investigación (disminución del tamaño de la base de datos). La mejor práctica sería filtrar en consecuencia, es decir, establecer el error de corte para eliminar una porción razonable del conjunto de datos (digamos <5% del total de edades disponibles [6] ).

Por métodos analíticos aplicados.

Dependiendo de la precisión analítica requerida, los investigadores pueden filtrar datos mediante sus instrumentos analíticos. Generalmente, los investigadores utilizan sólo los datos de la sensible microsonda de iones de alta resolución (SHRIMP), la espectrometría de masas de plasma acoplado inductivamente (LA-ICPMS) y la espectrometría de masas de ionización térmica (TIMS) debido a su alta precisión (1–2%, 1–2 % y 0,1% respectivamente [17] ) en análisis puntuales. Una técnica analítica más antigua, la evaporación de plomo-plomo, [37] ya no se utiliza porque no puede determinar la concordancia U-Pb de los datos de edad. [38]

Por naturaleza puntual

Además de los métodos analíticos, los investigadores aislarían las edades del núcleo o del borde para su análisis. Normalmente, las edades del núcleo se utilizarían como edad de cristalización, ya que se generan primero y son la parte menos perturbada en los granos de circón. Por otro lado, la edad de las llantas se puede utilizar para rastrear el metamorfismo máximo cuando entran en contacto por primera vez con ciertas condiciones de temperatura y presión. [39] Los investigadores pueden utilizar estas diferentes naturalezas de puntos para reconstruir la historia geológica de una cuenca.

Aplicación de edades de circón detrítico.

Edad máxima de depósito

Una de la información más importante que podemos obtener de las edades detríticas del circón es la edad máxima de depósito de la unidad sedimentaria de referencia. La unidad sedimentaria no puede ser anterior a la edad más joven de los circones detríticos analizados porque el circonio debería haber existido antes de la formación rocosa. Esto proporciona información útil sobre la edad de los estratos rocosos donde los fósiles no están disponibles, como las sucesiones terrestres durante el Precámbrico o el Pre-Devónico. [3] En la práctica, la edad de depósito máxima se promedia a partir de un grupo de datos de edad más joven o el pico en la probabilidad de edad porque la edad U-Pb más joven dentro de una muestra es casi siempre más joven con incertidumbre. [17]

Estudios tectónicos

Uso de la abundancia de la edad del circón detrítico

A escala global, la abundancia de la edad del circonio detrítico se puede utilizar como una herramienta para inferir eventos tectónicos significativos en el pasado. [4] En la historia de la Tierra, la abundancia de edad magmática alcanza su punto máximo durante los períodos de ensamblaje de supercontinentes . [6] Esto se debe a que el supercontinente proporciona una importante envoltura cortical que preserva selectivamente las rocas magmáticas félsicas, resultantes de derretimientos parciales. [40] Por lo tanto, muchos circones detríticos se originan en esta Provenza ígnea, lo que da como resultado registros máximos de edad similares. [6] Por ejemplo, el pico en aproximadamente 0,6–0,7 Ga y 2,7 ​​Ga (Figura 6) puede correlacionar la ruptura de Rodinia y el supercontinente Kenorland , respectivamente. [26]

Fig. 6 – Distribución global de edades del circón detrítico en un diagrama de frecuencia versus edad geológica. Modificado de Voice et al. (2011)

Utilizando la diferencia entre las edades de cristalización de los circones detríticos y su correspondiente edad máxima de depósito

Además de la abundancia de la edad del circonio detrítico, la diferencia entre las edades de cristalización (CA) de los circones detríticos y su correspondiente edad de depósito máxima (DA) se puede representar gráficamente en función de distribución acumulativa para correlacionar un régimen tectónico particular en el pasado. El efecto de diferentes entornos tectónicos sobre la diferencia entre CA y DA se ilustra en la Figura 7 y se resume en la Tabla. 3. [4]

Fig. 7 – Diagrama esquemático que muestra la naturaleza de la roca madre y su proximidad a las cuencas sedimentarias en múltiples entornos tectónicos. Modificado de Cawood et al. (2012)

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