Titanio en geotermometría de circón - Titanium in zircon geothermometry
La geotermometría de titanio en circón es una forma de técnica de geotermometría mediante la cual la temperatura de cristalización de un cristal de circón puede estimarse por la cantidad de átomos de titanio que solo se pueden encontrar en la red cristalina . En los cristales de circonio, el titanio se incorpora comúnmente, reemplazando los átomos de circonio y silicio cargados de manera similar . Este proceso relativamente no se ve afectado por la presión y depende en gran medida de la temperatura, y la cantidad de titanio incorporado aumenta exponencialmente con la temperatura, lo que lo convierte en un método de geotermometría preciso. Esta medida de titanio en circonitas se puede utilizar para estimar las temperaturas de enfriamiento del cristal e inferir las condiciones durante las cuales cristalizó. Los cambios de composición en los anillos de crecimiento de los cristales se pueden utilizar para estimar la historia termodinámica de todo el cristal. Este método es útil ya que se puede combinar con técnicas de datación radiométrica que se usan comúnmente con cristales de circón (ver geocronología de circón ), para correlacionar mediciones cuantitativas de temperatura con edades absolutas específicas. Esta técnica se puede utilizar para estimar las condiciones tempranas de la Tierra, determinar facies metamórficas o determinar la fuente de circones detríticos , entre otros usos.
Circón
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El circón ((Zr 1 – y , REE y ) (SiO 4 ) 1 – x (OH) 4x – y )) es un mineral de ortosilicato que se encuentra comúnmente como un mineral accesorio en toda la corteza terrestre. Debido a su estructura cristalina y geoquímica, el circón es un mineral comúnmente analizado debido a su utilidad para los geólogos como geocronómetro y geotermómetro.
Químicamente, el circón es un mineral particularmente útil debido a su capacidad para incorporar muchos oligoelementos. Muchos de estos elementos se pueden utilizar para la datación radiométrica para proporcionar una edad para el cristal. Se sabe que intercambia uranio , torio y elementos de tierras raras (REE) como el itrio y el lutecio . Sin embargo, las energías potenciales químicas de estas sustituciones de REE no se comprenden bien, por lo que no son adecuadas para determinar las temperaturas de cristalización. El titanio también se incorpora al circón y sus tipos de cambio se han estudiado en detalle. Ti 4+ , un ion tetravalente, puede reemplazar a Zr 4+ o Si 4+ en un mecanismo dependiente de la temperatura. Para circonitas en presencia de TiO 2 , es decir, el mineral rutilo , este proceso de sustitución es común y puede medirse. El circón también es útil porque su incorporación de otros elementos como uranio, lutecio, samario y oxígeno se puede analizar para proporcionar más información sobre la edad y las condiciones en las que creció el cristal.
Térmicamente, el circón es resistente a cambios de temperatura y extremos. Es estable hasta 1690 ° C a presión ambiente y tiene una tasa de expansión térmica baja. Los cristales de circón también son algunos de los minerales de silicato más incompresibles. La alta durabilidad de los circones también les permite cristalizar alrededor de otros minerales de silicato, creando bolsas o inclusiones de derretimientos circundantes que son indicativos de magma a presiones y temperaturas específicas. Esto esencialmente forma una cápsula del tiempo que da una idea de las condiciones pasadas en las que se formó el cristal.
Se sabe que los circones retienen relativamente sus isótopos incorporados y, por tanto, son muy útiles para estudios microcuantitativos. Los cationes como REE, U, Th, Hf, Pb y Ti se difunden lentamente a partir de los circones, y sus cantidades medidas en el mineral son diagnósticos de las condiciones de fusión que rodean al cristal durante el crecimiento. Esta velocidad lenta de difusión de muchos de los elementos incorporados hace que los cristales de circón sean más propensos a formar una zonificación composicional, que puede representar una zonificación oscilatoria o una zonificación sectorial, ya que la composición de la masa fundida o las condiciones de energía cambian alrededor del cristal con el tiempo. Estas zonas muestran diferencias de composición entre el núcleo y el borde del cristal, lo que proporciona evidencia observable de cambios en las condiciones de fusión. Las velocidades de difusión lentas también evitan la contaminación por fugas o pérdidas de isótopos del cristal, lo que aumenta la probabilidad de que las mediciones cronológicas y de composición sean precisas.
Métodos
Esta sección revisará el proceso de medición del contenido de titanio de los circones, comenzando con la recolección de muestras, la separación de minerales, el montaje para el análisis de microsonda y terminando con el análisis de elementos microcuantitativos. Una vez que se ha recolectado una roca, los circones se extraen utilizando una serie de técnicas como el uso de un tamiz , líquido pesado , mesa de agitación y separación magnética para separar los minerales en función de diferentes densidades y propiedades. Luego, los cristales de circonio se montan en un portaobjetos con forma de disco de metal o epoxi, donde se pueden afeitar hasta aproximadamente la mitad del grosor para revelar su estructura interna. Desde aquí, se pueden obtener imágenes usando catodoluminiscencia para hacer visible cualquier zonación en el mineral. Si la zonificación es evidente, se pueden tomar múltiples medidas de la abundancia de Ti desde el centro hasta el borde para dar la evolución de la temperatura del cristal.
El último paso consiste en medir la abundancia de titanio en una ubicación específica en un cristal de circón con una microsonda de iones. Para ello, la composición química de los circones se mide mediante espectrometría de masas de iones secundarios . La muestra se bombardea con un haz de iones primarios y se miden la carga y la masa de los iones secundarios expulsados para determinar la composición química en el punto de contacto. El valor cuantitativo del contenido de titanio se compara luego con una relación conocida de incorporación de titanio y temperatura para determinar la temperatura de cristalización de esa zona del circón. La relación entre el titanio y la temperatura se calculó utilizando circones in situ fechados radiométricamente con temperaturas de fusión conocidas de la roca circundante. Esta medición de titanio en circonio se puede realizar varias veces en circonitas divididas en zonas, que pueden registrar la evolución de la temperatura que resultó de muchos eventos geológicos.
Usos
Con esta técnica, se pueden estimar las temperaturas de cristalización de los circones para estimar la temperatura de enfriamiento del cristal. Las técnicas de geotermometría como esta pueden proporcionar evidencia de cambios en la temperatura en varios ambientes, la evolución termodinámica de las rocas, el cambio gradual en el gradiente geotérmico a lo largo del tiempo geológico y determinar la procedencia de los sedimentos detríticos . Junto con las técnicas de geocronología que miden utilizando la desintegración radiométrica para determinar la edad de una roca, como con la desintegración de U / Pb, estas mediciones de paleotemperatura se pueden emparejar con una edad absoluta para determinar los cambios de temperatura a lo largo del tiempo.
El titanio en geotermometría de circón se ha utilizado hasta ahora en rocas ígneas para estimar las temperaturas de enfriamiento del magma a partir de cristales de circón que datan de la edad del Hadeano (> 4.0 Ga). Las bajas temperaturas de cristalización de los circones de esta edad sugieren que la Tierra Hadeana contenía agua líquida, lo que redujo la temperatura de enfriamiento de los materiales de la corteza. Potencialmente, la termometría de titanio en circonio de los circones más antiguos de la Tierra puede mostrar la pérdida de calor progresiva desde una Tierra magmática Hadeana hasta el inicio de la tectónica de placas cuando la corteza del planeta comenzó a enfriarse y sufrió una deformación plástica. Esto proporcionará evidencia previamente desconocida de las condiciones en la Tierra primitiva y permitirá probar las ideas de cómo evolucionó el planeta a lo largo de los eones Hadeano y Arcaico .
La geotermometría de titanio en circonio se puede utilizar en circonitas que se encuentran en rocas metamórficas para estimar las condiciones de presión y temperatura durante el metamorfismo. Esto ayuda a identificar las facies metamórficas y, por lo tanto, el entorno geológico de una formación rocosa. También se puede utilizar en rocas sedimentarias para ayudar a determinar la fuente de minerales detríticos. Sin embargo, estos cristales a veces pueden estar contaminados por el titanio externo que se filtra en las fracturas.
Errores y limitaciones
La geotermometría de titanio en circonio se considera un método relativamente confiable y preciso para determinar las temperaturas de cristalización de circonitas, con un error de solo 10-16 grados Celsius. Sin embargo, existen varias limitaciones y supuestos utilizados en esta técnica que aumentan el margen de error.
La principal limitación de esta técnica es que solo se puede utilizar en sistemas que contienen titanio o el mineral rutilo (TiO 2 ). En sistemas que tienen muy poco o nada de titanio, este método no tiene sentido, ya que los circones no incorporarán titanio si no está presente en la masa fundida magmática. Sin embargo, los modelos recientes han tenido en cuenta la capacidad del circón para reemplazar el silicio o el circonio en el cristal con titanio mediante el uso de actividades independientes del silicio y el circón. Esto ha ampliado los usos potenciales de los circones con orígenes desconocidos, debido a la abundancia de silicio en la corteza terrestre. En algunos cristales de circón, las inclusiones del cuarzo mineral (SiO 2 ) se pueden utilizar como prueba de que el silicio estuvo presente durante la cristalización, validando así el uso de este geotermómetro.
Debido a la abundancia de elementos radiactivos que pueden incorporarse a los circones, también son susceptibles de sufrir daños por desintegración radiactiva a través del proceso de metamictización . A medida que los elementos radiactivos dentro de la red cristalina se desintegran, bombardean el interior del cristal con partículas radiactivas. Esto debilita el cristal y lo deja fracturado o destruido. Esto aumenta la posibilidad de que los isótopos se escapen del cristal y afecten las mediciones del titanio u otros elementos.
Otra dificultad de este microanálisis es la contaminación de titanio en las superficies externas. Estudios recientes han expresado preocupación por el recubrimiento de oro en la superficie de los montajes de microsonda de iones , que contiene pequeñas cantidades de titanio (~ 1 ppm) que podrían proporcionar un error durante la medición. En los circones detríticos que se encuentran en las fuentes sedimentarias, una capa de óxido que contiene titanio en la superficie y en las fracturas de los circones también puede contaminar el cristal con exceso de titanio.
Estudios más recientes también han demostrado que existen factores desconocidos adicionales que contribuyen a la incorporación de Ti en los circones. La actividad química del SiO 2 , la variación de la presión, la cristalización en desequilibrio de las masas fundidas, el crecimiento tardío de los cristales en las masas fundidas hidratadas o la sustitución no conforme a la Ley de Henry en los cristales de circón pueden influir en la alteración de las temperaturas de cristalización previstas.
Esta técnica también se ve limitada por varios supuestos que, si bien son válidos, pueden resultar inconsistentes en determinadas situaciones. Los estudios de laboratorio han utilizado presiones constantes al calcular las temperaturas de enfriamiento y han supuesto que la presión no juega un papel importante en la incorporación de titanio. Al estimar las temperaturas de enfriamiento, el aumento de la presión se explica por el aumento de las estimaciones de temperatura y, por lo tanto, aumenta la incertidumbre de las estimaciones.