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Datación entre lutecio y hafnio

El circón, un objetivo común para el análisis de Lu-Hf

La datación lutecio-hafnio es un método de datación geocronológica que utiliza el sistema de desintegración radiactiva del lutecio -176 al hafnio -176. [1] Con una vida media comúnmente aceptada de 37,1 mil millones de años, [1] [2] el par de desintegración de larga duración Lu-Hf sobrevive a través de escalas de tiempo geológicas, por lo que es útil en estudios geológicos. [1] Debido a las propiedades químicas de los dos elementos, a saber, sus valencias y radios iónicos , Lu se encuentra generalmente en cantidades traza en minerales amantes de los elementos de tierras raras , como el granate y los fosfatos , mientras que Hf se encuentra generalmente en cantidades traza en minerales ricos en circonio , como el circón , la baddeleyita y la zirkelita . [3]

La concentración de trazas de Lu y Hf en materiales terrestres planteó algunas dificultades tecnológicas para el uso extensivo de la datación Lu-Hf en la década de 1980. [1] Con el uso de la espectrometría de masas de plasma acoplado inductivamente (ICP-MS) con colector múltiple (también conocida como MC-ICP-MS) en años posteriores, el método de datación se hizo aplicable para datar diversos materiales terrestres. [1] El sistema Lu-Hf es ahora una herramienta común en estudios geológicos como la petrogénesis de rocas ígneas y metamórficas , la diferenciación del manto-corteza de la Tierra primitiva y la procedencia . [1] [3]

Datación radiométrica

El lutecio es un elemento de tierras raras , con un isótopo estable natural 175 Lu y un isótopo radiactivo natural 176 Lu. [3] Cuando los átomos de 176 Lu se incorporan a materiales terrestres, como rocas y minerales, comienzan a quedar "atrapados" mientras comienzan a desintegrarse. [4] A través de la desintegración radiactiva, un núcleo inestable se desintegra en otro relativamente estable. [4] La datación radiométrica utiliza la relación de desintegración para calcular cuánto tiempo han estado "atrapados" los átomos, es decir, el tiempo desde que se formó el material terrestre. [4]

Decadencia de176Lu

El único isótopo radiactivo natural del lutecio se desintegra de las dos maneras siguientes: [3]

El lutecio puede desintegrarse en , un elemento más pesado, o en iterbio , un elemento más ligero. [3] Sin embargo, como el modo principal de desintegración es por emisión β − , es decir, liberación de electrones (e − ), como en el caso de la desintegración en , la presencia de tiene un efecto insignificante en la determinación de la edad de Lu–Hf. [5]

Figura original 2 de Debaille et al. (2017); [6] Un ejemplo de isócrona Lu/Hf.

Determinación de la constante de decaimiento

La constante de desintegración de se puede obtener a través de experimentos de conteo directo [7] y comparando las edades de Lu–Hf con otras edades del sistema isotópico de muestras cuyas edades se determinan. [8] La constante de desintegración comúnmente aceptada tiene el valor de 1,867 (± 0,007) × 10 −11 años −1 . [9] Sin embargo, siguen existiendo discrepancias sobre el valor de la constante de desintegración. [2]

Determinación de la edad

Para cada técnica de datación radiométrica se establece una ecuación de edad para describir la relación matemática entre el número de nucleidos padre e hijo. [4] En el sistema Lu–Hf, el padre sería Lu (el isótopo radiactivo) y Hf sería el nucleido hijo (el producto después de la desintegración radiactiva). [3] [4] La ecuación de edad para el sistema Lu–Hf es la siguiente: [3]

dónde:

Los dos isótopos, 176 Lu y 176 Hf, en el sistema se miden como proporción con el isótopo estable de referencia de 177 Hf. [3] [4] La proporción medida se puede obtener a partir de espectrometría de masas . Una práctica común para la datación geocronológica es establecer un gráfico de isócronas. [4] Se medirían múltiples conjuntos de datos y se graficarían con 176 Hf/ 177 Hf en el eje y y 176 Lu/ 177 Hf en el eje x. [4] Se obtendría una relación lineal. [4] La proporción inicial se puede asumir como la proporción de abundancia isotópica natural o, para un mejor enfoque, se puede obtener a partir de la intersección con y de la isócrona graficada . [3] La pendiente de la isócrona graficada representaría . [3] [4]

Epsilon (valor ɛHf)

El valor de ɛHf es una expresión de la relación de una muestra con respecto a la relación del reservorio uniforme condrítico . [3] El uso del valor de ɛHf es una práctica común en los estudios de Hf. [3] ɛHf tiene un rango de valores de +15 a -70 en la actualidad. [10] ɛHf se expresa en la siguiente ecuación: [3] [4]

dónde:

Geoquímica del lutecio y el hafnio

Diagrama esquemático que muestra el movimiento elemental a partir de la formación de planetesimales. Las partículas de color azul claro representan elementos volátiles, que no se condensarán durante la formación temprana de la Tierra. Las partículas de color marrón oscuro y naranja son elementos refractarios que se condensan para formar la Tierra sólida (indicada por el círculo negro). Las partículas de color marrón oscuro representan elementos siderófilos que se hunden hacia el centro de la Tierra durante la formación del núcleo, mientras que los elementos litófilos de color naranja no lo hacen.

Según el esquema de clasificación de Goldschmidt , Lu y Hf son elementos litófilos (que aman la tierra), lo que significa que se encuentran principalmente en la fracción de silicato de la Tierra, es decir, el manto y la corteza. [4] Durante la formación de la Tierra, los dos elementos tendieron a no fraccionarse en el núcleo durante la formación del núcleo, es decir, no se concentraron en el núcleo, a diferencia de los elementos siderófilos (elementos amantes del hierro). [2] Lu y Hf también son elementos refractarios , lo que significa que se condensaron rápidamente a partir del disco protoplanetario para formar la parte sólida de la Tierra, a diferencia de los elementos volátiles. [2] Como resultado, los dos elementos no se encontrarían en la atmósfera primitiva de la Tierra. [2] Debido a estas características, los dos elementos son relativamente estacionarios a lo largo de la evolución planetaria y se cree que conservan las características de abundancia isotópica del material planetario primitivo, es decir, el reservorio uniforme condrítico (CHUR). [2]

Tanto el Lu como el Hf son elementos traza incompatibles y relativamente inmóviles. [1] Sin embargo, el Hf es más incompatible que el Lu y, por lo tanto, está relativamente enriquecido en la corteza y en los silicatos fundidos. [1] Por lo tanto, una mayor relación Lu/Hf (lo que también significa una mayor relación 176 Hf / 177 Hf, con el tiempo, debido a la descomposición del Lu) generalmente se encuentra en el sólido residual durante la fusión parcial y la eliminación de un líquido de un depósito geoquímico. [1] [3] Vale la pena señalar que la variación en la relación Lu/Hf suele ser muy pequeña. [1]

Implicaciones del valor de ɛHf

Los valores de ɛHf están estrechamente relacionados con el enriquecimiento o agotamiento de Hf en relación con el reservorio uniforme condrítico . [3] Un valor positivo de ɛHf significa que la concentración de 176 Hf en la muestra es mayor que la del reservorio uniforme condrítico . [3] Esto también significa una mayor relación Lu/Hf en la muestra. [3] Se encontraría un valor positivo en el residuo sólido después de la extracción de la masa fundida, ya que el líquido se enriquecería en Hf. [3] Vale la pena señalar que el enriquecimiento de Hf en la masa fundida significaría eliminar los isótopos más abundantes de Hf en mayor medida que 176 Hf, lo que da como resultado el enriquecimiento observado de 176 Hf/ 177 Hf en el residuo sólido. [3] Usando la misma lógica, un valor negativo de ɛHf representaría la masa fundida extraída del reservorio, formando un material juvenil evolucionado. [3]

La figura 9 original de Rehman et al. (2012) mostró una tendencia intermedia y mixta de ɛHf para las eclogitas estudiadas. El resultado experimental indica que las eclogitas se formaron a partir de basalto de islas oceánicas con contaminación de sedimentos para producir los valores intermedios de ɛHf. [11]

Figura original 9 de Rehman et al. (2012); [11] Un ejemplo de gráfico ɛHf.
Diagrama esquemático de la evolución del Hf. La curva negra se ha trazado utilizando los valores 176 Hf/ 177 Hf de Patchett y Tatsumoto (1980). Todas las demás curvas y valores son hipotéticos. Se supuso que la formación de la Tierra se produjo en 4.550 millones de años.

Edad del modelo CHUR

La edad del modelo de yacimiento uniforme condrítico es la edad a la que el material, del cual se forman las rocas y los minerales, abandona el yacimiento uniforme condrítico, es decir, el manto, cuando se supone que la tierra de silicato retiene la firma química del yacimiento uniforme condrítico. [4] Como se describió en la sección anterior, la fusión causará un fraccionamiento de Lu y Hf en el sólido fundido y residual, lo que dará como resultado que los valores de Lu/Hf y Hf/Hf se desvíen de los valores del yacimiento uniforme condrítico. [3] El tiempo o la edad en la que coinciden los valores de Lu/Hf y Hf/Hf de la muestra y el yacimiento uniforme condrítico es la edad del modelo de yacimiento uniforme condrítico. [3] [4]

dónde:

Relaciones Lu/Hf y Hf/Hf de CHUR

El modelo de depósito uniforme condrítico está fuertemente restringido para poder utilizar el sistema Lu-Hf para la determinación de la edad. [3] Las condritas representan materiales primitivos de la nebulosa solar que luego se acrecientan para formar planetesimales y, en mayor medida, la Tierra primitiva indiferenciada. [2] El depósito uniforme condrítico se utiliza para modelar la química de las capas de silicato de la Tierra, ya que estas capas no se vieron afectadas por los procesos de evolución planetaria. [2] Para caracterizar la composición del depósito uniforme condrítico en términos de Lu y Hf, se utilizan condritas de diferentes tipos petrológicos para analizar las concentraciones de Lu y Hf. [2]

Sin embargo, siguen existiendo discrepancias entre las proporciones y las proporciones. [2] Estudios anteriores experimentaron con condritas de todos los tipos petrológicos. [12] [13] Las proporciones obtenidas varían en un 18%, [12] o incluso en un 28%. [13] Las proporciones obtenidas varían en 14 unidades ɛHf. [12] Un estudio posterior centrado en condritas de los tipos petrológicos 1 a 3, que no están equilibradas, muestra una variación del 3% en las proporciones y 4 unidades ɛHf en las proporciones. [2]

Métodos analíticos

En los primeros años, alrededor de la década de 1980, la adquisición de edad basada en el sistema Lu-Hf utiliza la disolución química de la muestra y la espectrometría de masas de ionización térmica (TIMS). [1] Generalmente, las muestras de roca se pulverizan y se tratan con HF y HNO 3 en una bomba de teflón. [3] La bomba se coloca en un horno a 160 °C durante cuatro días. [3] A continuación, se realiza un tratamiento con ácidos para la purificación de los elementos principales y otros elementos traza indeseables. [14] Diferentes estudios pueden utilizar protocolos y procedimientos ligeramente diferentes, pero todos intentan garantizar la disolución completa de los materiales que contienen Lu y Hf. [2] [14] La técnica de dilución de isótopos suele ser necesaria para la determinación precisa de las concentraciones. [1] [3] La dilución de isótopos se realiza añadiendo materiales de concentración conocida de Lu y Hf a las muestras disueltas. [1] Las muestras pueden pasar luego por TIMS para la adquisición de datos. [1] [2]

Los procedimientos de preparación de muestras anteriores impiden el análisis conveniente de Lu-Hf, lo que limita su uso en la década de 1980. [1] Además, la determinación de la edad mediante TIMS requiere muestras de alta concentración de Lu y Hf para tener éxito. [1] Sin embargo, las fases minerales comunes tienen bajas concentraciones de Lu y Hf, lo que nuevamente limita los usos de Lu-Hf. [1]

Los métodos analíticos más comunes para la determinación de Lu–Hf en la actualidad son la espectrometría de masas con plasma acoplado inductivamente (ICP–MS). [1] La ICP–MS, con colector múltiple, permite la determinación precisa con materiales con baja concentración de Hf, como la apatita y el granate. [1] La cantidad de muestra necesaria para la determinación también es menor, lo que facilita la utilización de circón para las edades de Lu–Hf. [1]

La disolución selectiva, es decir, disolver el granate pero dejar intactas las inclusiones refractarias, se aplica al sistema Lu-Hf. [15] [16] [17]

Aplicaciones

Petrogénesis de rocas ígneas

El sistema isotópico Lu–Hf puede proporcionar información sobre dónde y cuándo se originó un cuerpo magmático. Al aplicar la determinación de la concentración de Hf a circones de granitos de tipo A en Laurentia , se obtuvieron valores de ɛHf que oscilaban entre −31,9 y −21,9, lo que representa un origen de fusión de la corteza. [18] La apatita también tiene información prometedora sobre Lu–Hf, ya que tiene un alto contenido de Lu en relación con el contenido de Hf. En los casos en que las rocas son pobres en sílice, si se pueden identificar rocas más evolucionadas del mismo origen magmático, la apatita podría proporcionar datos altos de la relación Lu/Hf para producir isócronas precisas, con un ejemplo de Smålands Taberg, en el sur de Suecia, donde la edad Lu/Hf de la apatita de 1204,3 ± 1,8 millones de años se identificó como el límite inferior de un evento magmático de 1200 millones de años que causó la mineralización de Fe–Ti en Smålands Taberg. [19]

Petrogénesis de rocas metamórficas y eventos metamórficos

Granate, un mineral metamórfico común para la datación Lu/Hf.

Para comprender las rocas metamórficas, la relación Lu-Hf puede proporcionar información sobre el origen. En los casos en los que la fase circón está ausente o es muy baja en abundancia, como en el caso de la eclogita con protolito acumulado , las eclogitas de cianita y ortopiroxeno pueden ser candidatas para el análisis de Hf. Aunque la concentración total de tierras raras es baja en las dos eclogitas, la relación Lu/Hf es alta, lo que permite la determinación de la concentración de Lu y Hf. [20]

Los granates juegan un papel importante en las aplicaciones de Lu/Hf, ya que son minerales metamórficos comunes y tienen una alta afinidad con los elementos de tierras raras . [1] Esto significa que los granates generalmente tienen altas relaciones Lu/Hf. [1] La datación de granates con Lu–Hf podría proporcionar información sobre la historia del crecimiento del granate durante el metamorfismo prógrado y las condiciones máximas de PT . [21] Con la ayuda de las edades Lu/Hf del granate, un estudio en Lago di Cignana, Alpes occidentales, Italia, identificó una edad de 48,8 ± 2,1 millones de años para el límite inferior del tiempo de crecimiento del granate. [22] A partir de esto, se estimó que la tasa de enterramiento de rocas de ultra alta presión en Lago di Cignana era de 0,23–0,47 cm/año, lo que sugiere que las rocas del fondo del océano fueron arrastradas a la subducción y alcanzaron condiciones de metamorfismo de ultra alta presión. [22]

Las edades isócronas convencionales se obtienen a partir de fragmentos de granate en bloque y son solo una estimación de la edad promedio del crecimiento general del granate. Para brindar estimaciones precisas del ritmo de crecimiento de un solo cristal de granate, los geocronólogos utilizan métodos de micromuestreo para recolectar y datar pequeñas zonas consecutivas de cristales de granate. [23] [24] [25]

Otro mineral de índice metamórfico de baja temperatura y alta presión, la lawsonita, se ha empezado a utilizar en los últimos años para comprender el metamorfismo de subducción mediante la datación Lu/Hf. [26] Un estudio mostró que la lawsonita podría ser importante para la datación de rocas metamórficas de baja temperatura, típicamente en metamorfismo progrado en entornos de zona de subducción, ya que los granates se forman después de que la lawsonita se estabiliza, de modo que la lawsonita puede enriquecerse en Lu para la datación radiométrica. [27]

Diferenciación del manto y la corteza en la Tierra primitiva

Se supone que el proceso de formación de la corteza está agotando químicamente el manto, ya que la corteza se forma a partir de fundidos parciales que se originan en el manto. [12] Sin embargo, el proceso y el grado de agotamiento no se pudieron concluir en base a algunas características isotópicas, ya que se cree que algunos sistemas isotópicos son susceptibles de restablecerse por metamorfismo. [28] Para restringir aún más el modelado del manto empobrecido, la información de Lu-Hf de los circones es útil, ya que los circones son resistentes al reequilibrio de Lu-Hf. [29]

Circón detrítico y procedencia

Oslo Rift, también conocido como Oslo Graben.

Las edades de Hf determinadas a partir del circón detrítico pueden ayudar a identificar los principales eventos de crecimiento de la corteza. [30] Al analizar el circón detrítico en los sedimentos del río Yangtze, un grupo de investigadores produjo una distribución estadística de las edades modelo de Hf de los sedimentos. [30] Se identificaron los picos estadísticos de los rangos de edad: 2000 Ma–1200 Ma, 2700 Ma–2400 Ma y 3200 Ma–2900 Ma, lo que indica eventos de crecimiento de la corteza en edades del Paleoproterozoico al Mesoproterozoico y del Arcaico en el Bloque del Sur de China. [30]

Las edades de Hf del circón detrítico también ayudan a rastrear la fuente de sedimentos. [31] Un estudio sobre el circón detrítico de las areniscas en el Rift de Oslo, Noruega, identificó una fuente importante de sedimentos en la región de Fennoscandia y también una fuente menor en las montañas Variscas de Europa central durante el Devónico tardío al Carbonífero tardío por las características U-Pb y Lu-Hf de las rocas fuente y los sedimentos. [31]

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