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Circón hadeano

El circón hádico es el material de corteza más antiguo que sobrevive del primer período geológico de la Tierra, el eón hádico , hace unos 4 mil millones de años. El circón es un mineral que se utiliza habitualmente para la datación radiométrica porque es muy resistente a los cambios químicos y aparece en forma de pequeños cristales o granos en la mayoría de las rocas huésped ígneas y metamórficas . [1]

Fotografía aérea de Jack Hills, Australia

El circón hádico tiene una abundancia muy baja en todo el mundo debido al reciclaje de material por la tectónica de placas . Cuando la roca en la superficie está enterrada profundamente en la Tierra, se calienta y puede recristalizarse o fundirse. [1] En Jack Hills , Australia, los científicos obtuvieron un registro relativamente completo de cristales de circón hádico en contraste con otros lugares. Los circones de Jack Hills se encuentran en sedimentos metamorfoseados que se depositaron inicialmente hace unos 3 mil millones de años, [1] o durante el Eón Arcaico . Sin embargo, los cristales de circón allí son más antiguos que las rocas que los contienen. Se han llevado a cabo muchas investigaciones para encontrar la edad absoluta y las propiedades del circón, por ejemplo, las proporciones de isótopos , las inclusiones minerales y la geoquímica del circón. Las características de los circones hádicos muestran la historia temprana de la Tierra y el mecanismo de los procesos de la Tierra en el pasado. [1] Con base en las propiedades de estos cristales de circón, se propusieron muchos modelos geológicos diferentes .

Fondo

Importancia

Una comprensión más profunda de la historia de la Tierra

La historia geológica del eón Hádico de la Tierra primitiva es poco conocida debido a la falta de registros rocosos de más de 4,02 Ga ( giga-años o mil millones de años). [2] [3] [4] La mayoría de los científicos aceptan que el mecanismo de reciclaje de placas ha derretido casi todos los trozos de la corteza terrestre. [2] Sin embargo, algunas partes diminutas de la corteza no se han derretido, ya que se descubrieron algunos granos raros de circón Hádico incluidos en una roca madre mucho más joven. [2] El examen de los granos detríticos o heredados del Hádico de circón puede dar evidencia de las condiciones geofísicas de la Tierra primitiva. [4]

Contribución científica

Como no hay evidencia sólida que describa el verdadero entorno de la Tierra primitiva, se han generado muchos modelos para explicar la historia primitiva de la Tierra. [1] El alto valor de la producción de calor y el flujo de impacto del Hádico demostraron que no existía corteza continental, lo que es muy diferente del proceso moderno. En ausencia de una gran cantidad de datos no distribuidos y dentro de las limitaciones de los métodos analíticos, se han desarrollado rápidamente cálculos sobre geofísica y ciencia planetaria para explorar esta nueva área de conocimiento. [1]

Abundancia

Menos del 1% de los circones detectados en todo el mundo tienen más de cuatro mil millones de años. [1] La probabilidad de descubrir un solo circón con más de cuatro mil millones de años es muy baja. [1] La abundancia de circón de más de cuatro mil millones de años en Jack Hills es anómalamente alta para la mayoría de las cuarcitas del Arcaico y, por lo tanto, las probabilidades de abundancia de otros puntos son extremadamente bajas (0,2-0,02%). [5] [ verificación fallida ]

Al adoptar la datación uranio-plomo (U-Pb) junto con otros métodos analíticos, se puede obtener más información geoquímica . Solo el 3% de los más de 200.000 granos de circón detrítico datados mediante análisis U-Pb tienen más de cuatro mil millones de años. [6] [7]

Un gráfico de la relación de concentración de uranio a iterbio frente a la concentración de itrio (U/Yb frente a Y) muestra diferentes firmas de elementos traza de fuentes de circón. Las estrellas son los datos del circón kimberlita, los triángulos son el circón de Jack Hills del Hadeano y los círculos son el circón de la corteza oceánica.

Tipos

Debido al diferente contenido de uranio y la concentración de oligoelementos, se identifican cuatro grupos de circones como se muestra a continuación [1]

Las bajas temperaturas de cristalización y las características de los elementos traza son las dos características principales que diferencian al circón derivado del manto o al circón derivado de la corteza oceánica. [8] [9] [10] Los circones lunares y meteoríticos son únicos debido a su firma de REE , por ejemplo, la falta de una anomalía de cerio . [11] La temperatura de cristalización varía de 900 a 1100 °C. En contraste, los circones terrestres del Hádeo están restringidos a 600 a 780 °C. [12] El circón del Hádeo Jack Hills tiene un amplio rango de fracción de oxígeno en comparación con los circones meteoríticos. [12] No se encontraron circones extraterrestres en ninguna localidad terrestre. Las características texturales como la zonificación de crecimiento y la mineralogía de inclusión muestran que el circón del Hádeo de Jack Hills proviene de fuentes ígneas. [13] [14]

Propiedades

Histogramas de circones de Jack Hills concordantes. Este es un histograma de un estudio inicial rápido de edades individuales de 207 Pb/ 206 Pb realizado para identificar la población >4,2Ga. Hay 3 picos dominantes y 2 picos menores. [15]

Las muestras no especificadas utilizadas para los análisis a continuación fueron circón de Jack Hills en Australia debido a las altas abundancias y los datos disponibles.

Distribución por edad

La datación U-Pb en el sistema de circón U-Pb ha sido considerada durante mucho tiempo como el geocronómetro de la corteza debido a que el circón es químicamente resistente y está enriquecido en U y Th en comparación con el producto hijo Pb. [16] La composición de elementos traza e isotópica del circón es importante para determinar el entorno de cristalización. [16]

Los resultados de los circones detríticos del conglomerado del sitio de descubrimiento de Erawondoo Hill [17] [18] generalmente muestran que los circones tienen una distribución de edad bimodal con picos principales en c. 3,4 y 4,1 Ga.

Sin embargo, el circón es sensible al daño por radiación y puede degradarse en material amorfo . [19] El circón hádico con concentraciones originales de uranio superiores a 600 ppm se ve afectado por el efecto de la alteración posterior a la cristalización.

Geoquímica de isótopos

Datos de isótopos estables que indican que las rocas originales que albergaban al circón estaban relacionadas con una cantidad significativa de material formado en la superficie de la Tierra o cerca de ella y posteriormente transferido a un nivel de corteza media a baja donde se fundieron para generar los magmas anfitriones a partir de los cuales cristalizó el circón. [6] [13]

Inclusiones minerales

Biotita de color marrón verdoso con inclusiones de magnetita opaca y moscovita de color violeta amarillento (vista microscópica con polarización cruzada)

El desarrollo de criterios texturales para identificar inclusiones primarias [33] abre posibilidades para reconocer la procedencia cambiante de los circones con el tiempo e investigar su historia de alteración post-deposicional. Hay dos conjuntos de inclusiones comunes que son consistentes con su formación en granitoides de "tipo I" ( hornblenda , cuarzo, biotita, plagioclasa, apatita , ilmenita ) y "tipo S" (cuarzo, feldespato potásico, moscovita, monacita ) . [33] Dominados por cuarzo con feldespato potásico menos abundante, plagioclasa, moscovita, biotita y fosfatos, que se interpretan como formados bajo un gradiente geotérmico relativamente bajo similar al que pertenece a las zonas de subducción modernas . [14] [33]

Geoquímica del circón

Al analizar el contenido de circón, se ha demostrado que algunos de ellos contienen titanio, tierras raras, litio, aluminio y carbono. Ciertas proporciones y distribuciones normales dan evidencia del origen del circón y de la fuente del magma.

Método analítico

Análisis con microsonda de iones

Análisis con microsonda de iones

La microsonda de iones (o espectrometría de masas de iones secundarios , SIMS) y la geocronología de uranio-torio-plomo son dos métodos comunes para medir isótopos en un intervalo de tiempo específico. [49] [50]

Mediciones in situ de alta precisión mediante SIMS de isótopos de oxígeno [51] y relaciones OH/O, determinación de isótopos de hafnio mediante espectrometría de masas acoplada inductivamente por ablación láser (LA-ICP-MS) , [52] [53] y tomografía de sonda atómica . [54] La LA-ICP-MS es el método más común hasta la fecha que utiliza isótopos, pero carece de capacidad para medir 204 Pb. Por lo tanto, existe la posibilidad de que la aparición de circones individuales con más de 4 mil millones de años se deba a la inclusión de Pb no radiogénico.

Microanalizador de sonda electrónica

La datación por U-Pb, las mediciones de delta 18 O y Ti se pueden probar con la microsonda de iones CAMECA ims 1270. [51] Se aplica epoxi sobre la muestra. Se necesita una superficie plana de la muestra para realizar un análisis. [55] La datación por U-Pb y la medición de T utilizan un haz de O − primario con baja intensidad (10-15 nA). El estándar de edad por U-Pb AS3 se utilizó para los estudios de datación. La concentración de Ti se puede determinar con base en el análisis de circón Jack Hills [55] y vidrio NIST610.

Análisis con microsonda electrónica

Para la investigación de inclusiones, se utilizó el analizador de microsonda electrónica JEOL 8600 (EPMA) para analizar químicamente el circón. [1] Se utiliza para analizar la composición química del material. Se emiten haces de electrones a la superficie del mineral y se desprenden iones y se estima la abundancia de los elementos dentro de una muestra de tamaño muy pequeño. Se pueden medir muchos isótopos a la vez en este análisis, por ejemplo, Ti y Li. [32]

Aparición

Los puntos rojos representan la ubicación del circón hádico en el mapa mundial.

Mecanismos propuestos para la formación de circones de Jack Hills de Hadean

Teoría moderna de la tectónica de placas

La teoría de la tectónica de placas es ampliamente aceptada para la generación de la corteza. Con el registro de rocas del Hádico, la mayoría de los científicos concluyeron que la hipótesis de una Tierra primitiva infernal desprovista de océano es incorrecta. [1] Los científicos han construido diferentes modelos para explicar la historia térmica en la Tierra primitiva, como el modelo de crecimiento continental, [72] riolitas islandesas, [73] rocas ígneas intermedias, rocas ígneas máficas, sagducción, [74] fusión por impacto , [75] tectónica de tubos de calor, [76] KREEP terrestre [77] y escenarios de múltiples etapas.

El más famoso es el modelo de crecimiento continental, que es similar a la dinámica tectónica moderna. [1]

Temperatura de cristalización relativamente baja y algunos están enriquecidos con oxígeno pesado, contienen inclusiones similares a los procesos corticales modernos y muestran evidencia de diferenciación de silicato a ~4.5 Ga. [1] Hidrosfera terrestre temprana, corteza félsica temprana en la que se produjeron granitoides y luego se meteorizaron en condiciones de alta actividad de agua e incluso la posible existencia de interacciones en los límites de las placas . [1] [78]

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  78. ^ Estas dos últimas frases no tienen sentido. Por favor, editen como corresponda.