Datación por samario-neodimio - Samarium–neodymium dating

La datación por samario-neodimio es un método de datación radiométrica útil para determinar las edades de rocas y meteoritos , basado en la desintegración radiactiva de un isótopo de samario de larga duración ( 147 Sm) a un isótopo de neodimio radiogénico ( 143 Nd). Las proporciones de isótopos de neodimio junto con las proporciones de samario-neodimio se utilizan para proporcionar información sobre la edad y la fuente de fusión ígnea . A veces se supone que en el momento en que se forma el material de la corteza a partir del manto, la proporción de isótopos de neodimio depende solo del momento en que ocurrió este evento, pero a partir de entonces evoluciona de una manera que depende de la nueva proporción de samario a neodimio en la corteza. material, que será diferente de la proporción en el material del manto. La datación por samario-neodimio nos permite determinar cuándo se formó el material de la corteza.

La utilidad de la datación Sm-Nd se debe al hecho de que estos dos elementos son elementos de tierras raras y, por lo tanto, teóricamente, no son particularmente susceptibles de dividirse durante la sedimentación y la diagénesis . La cristalización fraccionada de los minerales félsicos cambia la relación Sm / Nd de los materiales resultantes. Esto, a su vez, influye en la velocidad a la que aumenta la relación 143 Nd / 144 Nd debido a la producción de 143 Nd radiogénico .

En muchos casos, los datos de isótopos Sm – Nd y Rb – Sr se utilizan juntos.

Datación radiométrica Sm – Nd

El samario tiene cinco isótopos naturales y el neodimio tiene siete. Los dos elementos están unidos en una relación padre-hija por la desintegración alfa del padre 147 Sm a la hija radiogénica 143 Nd con una vida media de 1.06 × 10 11 años y por la desintegración alfa de 146 Sm (un nucleido casi extinto con una vida media de 6,87 × 10 7 años) para producir 142 Nd.

Para encontrar la fecha en la que se formó una roca (o grupo de rocas), se puede usar el método de datación isócrona . La isócrona Sm-Nd traza la relación de 143 Nd radiogénico a 144 Nd no radiogénico frente a la relación del isótopo parental 147 Sm al isótopo no radiogénico 144 Nd. El 144 Nd se usa para normalizar el isótopo radiogénico en la isócrona porque es un isótopo de neodimio estable y relativamente abundante.

La isócrona Sm-Nd se define mediante la siguiente ecuación:

dónde:

t es la edad de la muestra,
λ es la constante de desintegración de 147 Sm,
( e λ t -1) es la pendiente de la isócrona que define la edad del sistema.


Alternativamente, se puede suponer que el material se formó a partir del material del manto que estaba siguiendo el mismo camino de evolución de estas proporciones que las condritas , y luego nuevamente se puede calcular el tiempo de formación (ver #El modelo CHUR ).

Geoquímica Sm y Nd

La concentración de Sm y Nd en los minerales de silicato aumenta con el orden en que cristalizan en un magma de acuerdo con la serie de reacciones de Bowen . El samario se acomoda más fácilmente en minerales máficos , por lo que una roca máfica que cristaliza minerales máficos concentrará neodimio en la fase de fusión en relación con el samario. Por lo tanto, a medida que una masa fundida experimenta una cristalización fraccionada de una composición máfica a una más félsica, la abundancia de Sm y Nd cambia, al igual que la relación entre Sm y Nd.

Por lo tanto, las rocas ultramáficas tienen Sm alto y Nd bajo y, por lo tanto, relaciones Sm / Nd altas. Las rocas félsicas tienen concentraciones bajas de Sm y Nd altas y, por lo tanto, relaciones Sm / Nd bajas (por ejemplo, la komatiita tiene 1,14 partes por millón (ppm) Sm y 3,59 ppm Nd frente a 4,65 ppm Sm y 21,6 ppm Nd en riolita ).

La importancia de este proceso es evidente al modelar la edad de formación de la corteza continental .

El modelo CHUR

A través del análisis de composiciones isotópicas de neodimio, DePaolo y Wasserburg (1976) descubrieron que las rocas ígneas terrestres en el momento de su formación a partir de los derretimientos seguían de cerca la línea del " reservorio uniforme condrítico " o "reservorio unifraccionado condrítico" (CHUR), la 143 Nd: La relación 144 Nd aumentó con el tiempo en las condritas . Se cree que los meteoritos condríticos representan el material más antiguo (sin clasificar) que se formó en el sistema solar antes de que se formaran los planetas. Tienen firmas de elementos traza relativamente homogéneas y, por lo tanto, su evolución isotópica puede modelar la evolución de todo el sistema solar y de la "Tierra en masa". Después de trazar las edades y las proporciones iniciales de 143 Nd / 144 Nd de las rocas ígneas terrestres en un diagrama de evolución de Nd frente a tiempo, DePaolo y Wasserburg determinaron que las rocas arqueanas tenían proporciones de isótopos de Nd iniciales muy similares a las definidas por la línea de evolución de CHUR.

Notación épsilon

Dado que las desviaciones de 143 Nd / 144 Nd de la línea de evolución de CHUR son muy pequeñas, DePaolo y Wasserburg argumentaron que sería útil crear una forma de notación que describiera 143 Nd / 144 Nd en términos de sus desviaciones de la línea de evolución de CHUR. Esto se llama notación épsilon, en la que una unidad épsilon representa una desviación de una parte por 10.000 de la composición de CHUR. Algebraicamente, las unidades épsilon se pueden definir mediante la ecuación

Dado que las unidades épsilon son más finas y, por lo tanto, una representación más tangible de la proporción de isótopos de Nd inicial, al usar estas en lugar de las proporciones isotópicas iniciales, es más fácil comprender y, por lo tanto, comparar las proporciones iniciales de la corteza con diferentes edades. Además, las unidades épsilon normalizarán las proporciones iniciales a CHUR, eliminando así cualquier efecto causado por varios métodos analíticos de corrección de fraccionamiento de masa aplicados.

Edades del modelo Nd

Dado que CHUR define las proporciones iniciales de las rocas continentales a lo largo del tiempo, se dedujo que las medidas de 143 Nd / 144 Nd y 147 Sm / 144 Nd, con el uso de CHUR, podrían producir edades modelo para la segregación del manto de la masa fundida que se formó. cualquier roca de la corteza. Esto se ha denominado T CHUR . Para poder calcular una edad de T CHUR , el fraccionamiento entre Nd / Sm tendría que haber ocurrido durante la extracción de magma del manto para producir una roca continental. Este fraccionamiento provocaría entonces una desviación entre las líneas de evolución isotópica de la corteza y del manto. La intersección entre estas dos líneas de evolución indica la edad de formación de la corteza. La edad de T CHUR se define mediante la siguiente ecuación:

La edad T CHUR de una roca puede producir una edad de formación para la corteza en su conjunto si la muestra no ha sufrido perturbaciones después de su formación. Dado que Sm / Nd son elementos de tierras raras (REE), su característica permite que las relaciones inmóviles teíticas resistan la partición durante el metamorfismo y el derretimiento de rocas de silicato. Esto permite, por tanto, calcular las edades de formación de la corteza, a pesar de cualquier metamorfismo que haya sufrido la muestra.

El modelo de manto empobrecido

Gráfico para mostrar el modelo de manto empobrecido de DePaolo (1981)

A pesar del buen ajuste de los plutones arcaicos a la línea de evolución del isótopo CHUR Nd, DePaolo y Wasserburg (1976) observaron que la mayoría de los volcanes oceánicos jóvenes (basaltos de Mid Ocean Ridge y basaltos de Island Arc) se encuentran de +7 a +12 ɛ unidades por encima de CHUR línea (ver figura). Esto llevó a la comprensión de que las rocas ígneas continentales arcaicas que se trazaron dentro del error de la línea CHUR podrían, en cambio, estar en una línea de evolución de manto empobrecido caracterizada por proporciones crecientes de Sm / Nd y 143 Nd / 144 Nd a lo largo del tiempo. Para analizar más a fondo esta brecha entre los datos de CHUR de Archean y las muestras volcánicas jóvenes, se llevó a cabo un estudio en el basamento metamórfico del Proterozoico del Colorado Front Ranges (la Formación Idaho Springs). Las relaciones iniciales de 143 Nd / 144 Nd de las muestras analizadas se representan en un diagrama de ɛNd frente al tiempo que se muestra en la figura. DePaolo (1981) ajustó una curva cuadrática a los manantiales de Idaho y el ɛNd promedio para los datos del arco de islas oceánicas modernas, lo que representa la evolución del isótopo de neodimio de un reservorio empobrecido. La composición del yacimiento agotado en relación con la línea de evolución CHUR, en el tiempo T , viene dada por la ecuación

ɛNd ( T ) = 0,25 T 2 - 3 T + 8,5.

Las edades del modelo Sm-Nd calculadas utilizando esta curva se indican como edades TDM. DePaolo (1981) argumentó que estas edades del modelo TDM producirían una edad más precisa para las edades de formación de la corteza que las edades del modelo TCHUR; por ejemplo, una edad del modelo TCHUR anormalmente baja de 0.8  Gy de McCulloch y el compuesto de Grenville de Wasserburg se revisó a una edad TDM de 1,3 Gy, típico de la formación de costras juveniles durante la orogenia de Grenville.

Referencias