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Geocronología del circón detrítico

Fig. 1 – Granos de circón en la vida real (Moneda para escala)

La geocronología detrítica del circón es la ciencia que analiza la edad de los circones depositados en una unidad sedimentaria específica mediante el examen de sus radioisótopos inherentes , más comúnmente la relación uranio-plomo . El circón 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 se pueden fechar utilizando varias técnicas analíticas modernas.

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

Circón detrítico

Origen

Los circones detríticos forman parte de los sedimentos derivados 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 de ellos son transportados, depositados y conservados como granos de circones detríticos en rocas sedimentarias . [3]

Fig. 2 – Diagrama simple que ilustra la formación del circón ígneo, los procesos por los cuales se transforma 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 aproximado y la química mineral. [6] [7] Sin embargo, la composición de los circones detríticos no está totalmente controlada por la cristalización del mineral de circón. De hecho, muchos de ellos se modifican mediante 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 ganar 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 de asociación de poblaciones de circones detríticos y sus fuentes. [3]

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

  1. El circón contiene una gran cantidad de uranio para el reconocimiento por máquina, normalmente entre 100 y 1000 ppm. [8]
  2. El circón 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 padre.
  3. Los cristales de circón crecen entre 600 y 1100 °C, mientras que el plomo se retiene dentro de la estructura cristalina por debajo de los 800 °C (ver Temperatura de cierre ). Por lo tanto, 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 del 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 la formación.
  4. El circón cristaliza comúnmente en rocas ígneas félsicas , con un contenido de sílice (SiO 2 ) superior al 60 % . [4] Estas rocas son generalmente menos densas y más flotantes. Se encuentran en lo alto de la corteza terrestre ( corteza continental ) y tienen un buen potencial de conservación .
  5. El circón es resistente física y químicamente, por lo que es más probable que se conserve en el ciclo sedimentario. [8]
  6. El circón contiene otros elementos que aportan información complementaria, como el hafnio (Hf) y la relación uranio/torio (U/Th). [8]

Recolección de muestras

No existen reglas fijas para la selección de muestras en los estudios de geocronología de circón detrítico. El objetivo y la escala del proyecto de investigación determinan el tipo y la cantidad de muestras tomadas. En algunos casos, el tipo de roca sedimentaria y el entorno de sedimentación pueden afectar significativamente el resultado. [3] Algunos ejemplos incluyen:

Extracción de circón detrítico

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

Tipo de análisis de circón detrítico

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

Análisis 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 de alta precisión (TIMS) 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 a través de 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 siempre es confiable. [15]

Análisis cuantitativo

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

Métodos

Los distintos métodos de análisis de circón detrítico arrojan resultados diferentes. En general, los investigadores incluirían los métodos o instrumentos analíticos que utilizaron en sus estudios. En general, existen tres categorías: 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 de circón detrítico, se deben incluir diferentes variables para el análisis. Hay dos tipos principales de datos: datos de circón analizados (datos cuantificables y datos de imágenes/descriptivos) y datos de muestra (donde se extraen los granos de circón). Los detalles se enumeran en la Tabla 2.

Filtrado de datos de circón detrítico

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

Por discordancia de edad U-Pb

Antes de aplicar las edades de circón detrítico, se deben evaluar y seleccionar en consecuencia. En la mayoría de los casos, los datos se comparan con U-Pb Concordia gráficamente. Sin embargo, para un conjunto de datos grande, los datos con 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 más vieja debería experimentar mayores probabilidades de alteración y proyectar una mayor discordancia. [19] (Ver datación de uranio-plomo )

Eligiendo la mejor edad

Debido a las incertidumbres intrínsecas dentro de las tres edades de U-Pb obtenidas ( 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 agrupamiento de datos

Dada la posibilidad de que existan edades U-Pb de circón detrítico concordantes pero incorrectas 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 las edades. Tres o más datos superpuestos 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 hay 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 de edad mejoraría la precisión general de la edad del grano de circón, la 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 parte razonable del conjunto de datos (digamos <5% de las edades totales disponibles [6] )

Mediante métodos analíticos aplicados

Dependiendo de la precisión analítica requerida, los investigadores pueden filtrar los datos a través de sus instrumentos analíticos. Generalmente, los investigadores utilizan solo los datos de la microsonda de iones de alta resolución sensible (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 el análisis puntual. 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 el análisis. Normalmente, las edades del núcleo se utilizarían como edad de cristalización, ya que son la primera parte generada y menos alterada en los granos de circón. Por otro lado, las edades del borde se pueden utilizar para rastrear el metamorfismo máximo , ya que son las primeras en entrar en contacto 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 las edades detríticas del circón

Edad máxima de deposición

Una de las informaciones más importantes que podemos obtener de las edades de los circones detríticos es la edad máxima de deposición de la unidad sedimentaria de referencia. La unidad sedimentaria no puede ser más antigua que la edad más joven de los circones detríticos analizados porque el circón debería haber existido antes de la formación rocosa. Esto proporciona información útil sobre la edad de los estratos rocosos donde no hay fósiles disponibles, como las sucesiones terrestres durante los tiempos precámbricos o predevónicos. [40] [3] En la práctica, la edad máxima de deposición se promedia a partir de un grupo de datos de edad más joven o el pico en la probabilidad de edad porque la edad más joven de U-Pb dentro de una muestra es casi siempre más joven con incertidumbre. [17]

Estudios tectónicos

Utilizando la abundancia de edad del circón detrítico

A escala global, la abundancia de edad de los circones detríticos 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 envoltura cortical importante que preserva selectivamente las rocas magmáticas félsicas, resultantes de derretimientos parciales. [41] Por lo tanto, muchos circones detríticos se originan de estas procedencias ígneas, lo que da como resultado registros de picos 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 la edad 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 circones detríticos y su edad máxima de deposición correspondiente

Además de la abundancia de edad de los circones detríticos, la diferencia entre las edades de cristalización (CA) de los circones detríticos y su edad de deposición máxima (DA) correspondiente se puede representar gráficamente en una función de distribución acumulativa para correlacionar un régimen tectónico particular en el pasado. El efecto de diferentes configuraciones tectónicas en 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 las rocas madre y su proximidad a las cuencas sedimentarias en múltiples entornos tectónicos. Modificado de Cawood et al. (2012)

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