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Datación lutecio-hafnio

Zircón, 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 de lutecio –176 a hafnio –176. [1] Con una vida media comúnmente aceptada de 37,1 mil millones de años, [1] [2] el par de desintegración Lu-Hf de larga vida sobrevive en escalas de tiempo geológicas, por lo que es útil en estudios geológicos. [1] Debido a las propiedades químicas de los dos elementos, es decir, sus valencias y radios iónicos , el Lu generalmente se encuentra en cantidades mínimas en minerales amantes de los elementos de tierras raras , como el granate y los fosfatos , mientras que el Hf generalmente se encuentra en cantidades mínimas en el circonio. -Minerales ricos, como circón , baddeleyita y zirkelita . [3]

La concentración de trazas de Lu y Hf en materiales terrestres planteó algunas dificultades tecnológicas en el uso extensivo de la datación Lu-Hf en la década de 1980. [1] Con el uso de espectrometría de masas de plasma acoplado inductivamente (ICP-MS) con colector múltiple (también conocido como MC-ICP-MS) en años posteriores, el método de datación se hace aplicable para fechar 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 y procedencia del manto-corteza terrestre primitiva . [1] [3]

datacion radiometrica

El lutecio es un elemento de tierras raras , con un isótopo estable natural 175 Lu y un isótopo radiactivo natural 176 Lu. [3] Cuando 176 átomos de Lu se incorporaron a materiales terrestres, como rocas y minerales, comenzaron a quedar "atrapados" mientras comenzaban 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 de 176 Lu

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

El lutecio puede descomponerse 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 a , la presencia de tiene un efecto insignificante para la determinación de la edad de Lu-Hf. [5]

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

Determinación constante de decaimiento

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

Determinación de la edad

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

dónde:

Los dos isótopos, 176 Lu y 176 Hf, en el sistema se miden como relación con el isótopo estable de referencia de 177 Hf. [3] [4] La relación medida se puede obtener mediante espectrometría de masas . Una práctica común para la datación geocronológica es establecer un diagrama isócrono. [4] Se medirían y representarían múltiples conjuntos de datos 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] Se puede suponer que la relación inicial es una relación de abundancia isotópica natural o, para un mejor enfoque, se obtiene a partir de la intersección y de la isócrona trazada . [3] La pendiente de la isócrona trazada representaría . [3] [4]

Épsilon (valor ɛHf)

El valor ɛHf es una expresión de la proporción de una muestra con respecto a la proporción del reservorio uniforme condrítico . [3] El uso del valor 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 planetesimal. 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 hasta 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 (amantes de la tierra), lo que significa que se encuentran principalmente en la fracción de silicato de la Tierra, es decir, en el manto y la corteza. [4] Durante la formación de la Tierra, los dos elementos tendieron a no fraccionarse en el núcleo, es decir, a no concentrarse 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 Lu como Hf son oligoelementos 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, generalmente se encuentra una relación Lu/Hf más alta (que también significa una relación 176 Hf / 177 Hf más alta, con el tiempo, debido a la desintegración del Lu) en el sólido residual durante la fusión parcial y la eliminación de un líquido de un yacimiento geoquímico. . [1] [3] Vale la pena señalar que la variación en la relación Lu/Hf suele ser muy pequeña. [1]

Implicaciones del valor 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 relación Lu/Hf más alta en la muestra. [3] Se encontraría un valor positivo en el residuo sólido después de la extracción en estado fundido, 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 el 176 Hf, lo que resultaría en el enriquecimiento observado de 176 Hf/ 177 Hf en el residuo sólido. [3] Utilizando la misma lógica, un valor negativo de ɛHf representaría el derretimiento extraído del yacimiento, formando un material juvenil evolucionado. [3]

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

Figura 9 original de Rehman et al. (2012); [11] Un ejemplo de gráfico ɛHf.
Un diagrama esquemático de evolución de Hf. La curva negra se traza utilizando valores de 176 Hf/ 177 Hf de Patchett y Tatsumoto (1980). Todas las demás curvas y valores son hipotéticos. Se suponía que el tiempo de formación de la Tierra fue de 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, a partir del cual se forman rocas y minerales, abandona el yacimiento uniforme condrítico, es decir, el manto, cuando se asume 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 el residuo, lo que resultará en valores de Lu/Hf y Hf/Hf que se desvían de los valores del yacimiento uniforme condrítico. [3] El momento o edad en el que los valores de Lu/Hf y Hf/Hf de la muestra y el reservorio uniforme condrítico coinciden es la edad del modelo del reservorio uniforme condrítico. [3] [4]

dónde:

Relaciones Lu/Hf y Hf/Hf de CHUR

El modelo de reservorio uniforme condrítico está estrictamente restringido para poder utilizar el sistema Lu-Hf para determinar la edad. [3] Las condritas representan materiales primitivos de la nebulosa solar que luego se acumulan para formar planetesimales y, en mayor medida, significan la Tierra primitiva e indiferenciada. [2] Los reservorios uniformes de condríticas se utilizan 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 uniforme del yacimiento 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, persisten discrepancias y proporciones. [2] Estudios anteriores experimentaron con condritas de todos los tipos petrológicos. [12] [13] Los ratios arrojados varían en un 18%, [12] o incluso en un 28%. [13] Las proporciones obtenidas varían en 14 unidades ɛHf. [12] Un estudio posterior se centró en condritas de tipos petrológicos 1 a 3, que no están equilibradas, muestran 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 utilizaba 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 mete en un horno a 160 °C durante cuatro días. [3] A continuación viene el tratamiento con ácidos para la purificación de elementos importantes y otros oligoelementos 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 concentraciones. [1] [3] La dilución de isótopos se realiza agregando materiales de concentración conocida de Lu y Hf a las muestras disueltas. [1] Las muestras luego pueden pasar por TIMS para la adquisición de datos. [1] [2]

Los procedimientos de preparación de muestras anteriores impiden un 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 altas concentraciones 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]

El método analítico más común para la determinación de Lu-Hf hoy en día es mediante espectrometría de masas con plasma acoplado inductivamente (ICP-MS). [1] ICP-MS, con colector múltiple, permite la determinación de precisión con materiales con baja concentración de Hf, como apatita y granate. [1] La cantidad de muestra necesaria para la determinación también es menor, lo que facilita la utilización de circón para edades Lu-Hf. [1]

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

Aplicaciones

Petrogénesis de rocas ígneas

El sistema de isótopos Lu-Hf puede proporcionar información sobre dónde y cuándo se origina un cuerpo magmático. Al aplicar la determinación de la concentración de Hf a circones de granitos tipo A en Laurentia , se obtuvieron valores de ɛHf que oscilaron entre −31,9 y −21,9, lo que representa un origen de fusión cortical. [18] La apatita también tiene información prometedora sobre Lu-Hf, ya que la apatita 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 de una relación Lu/Hf alta para producir una isócrona precisa, con un ejemplo de Smålands Taberg, en el sur de Suecia, donde la apatita Lu/ La edad de Hf de 1204,3 ± 1,8 millones de años se identificó como el límite inferior de un evento magmático de 1.200 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, Lu-Hf aún puede proporcionar información sobre su origen. En los casos en los que la fase de 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 general de elementos de tierras raras es baja en las dos eclogitas, las relaciones Lu/Hf son altas, lo que permite determinar la concentración de Lu y Hf. [20]

Los granates desempeñan un papel importante en las aplicaciones de Lu/Hf, ya que son minerales metamórficos comunes y tienen una alta afinidad por los elementos de tierras raras . [1] Esto significa que los granates generalmente tienen relaciones Lu/Hf altas. [1] La datación de granates con Lu-Hf podría proporcionar información sobre la historia del crecimiento del granate durante el metamorfismo progrado y las condiciones máximas de PT . [21] Con la ayuda de las edades Lu/Hf del granate, un estudio en el 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 entierro de rocas de presión ultraalta en el Lago di Cignana era de 0,23 a 0,47 cm/año, lo que sugiere que las rocas del fondo del océano fueron arrastradas hasta la subducción y alcanzaron condiciones de metamorfismo de presión ultraalta. . [22]

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

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

Diferenciación manto-corteza de la Tierra primitiva

El proceso de formación de la corteza supuestamente está agotando químicamente el manto, ya que la corteza se forma a partir de derretimientos parciales que se originan en el manto. [12] Sin embargo, no se pudo concluir el proceso y el alcance del agotamiento basándose en algunas características de los isótopos, ya que se cree que algunos sistemas de isótopos son susceptibles de restablecerse mediante metamorfismo. [28] Para limitar aún más el modelado del manto empobrecido, la información 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 eventos importantes 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 de los sedimentos en el modelo Hf. [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 a partir de circonio detrítico también ayudan a rastrear la fuente de sedimentos. [31] Un estudio sobre circonio detrítico de 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 Variscanas de Europa central durante el Devónico tardío al Carbonífero tardío por las características de U-Pb y Lu-Hf de rocas madre y sedimentos. [31]

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