El M

1
El Método U-Th-Pb
2

• Existen varios sub-métodos
• 1. U-Pb convencional (para minerales con alto
  contenido de U y/o Th, usando TIMS y
  diferentes fracciones de muestras, p. ej. zircón)
• 2. U-Pb con zircones sencillos (single zircons
  usando LA-MC-ICPMS o SHRIMP)
• 3. Serie de desequilibrio de uranio (fechamientos
  de eventos cuaternarios)
• 4. Método de Pb común (para minerales sin uranio
  y torio)
• 5. Método de Pb a (método radiométrico, hoy
  obsoleto)
• 6. Se usa también la isotopía de Pb para
  interpretaciones petrogenéticas
• Thermal Ionisation Mass Spectrometry
• Laser-Ablation Multi Collector-Inductively
  Coupled Plasma Mass Spectrometry
• Sensitive High Resolution Ion Micro Probe

3
Bases teóricas U y Th
Uranio y torio pertenecen a la familia de los
actínidos y tienen propiedades físico-químicas
similares (como consecuencia de sus
configuraciones electrónicas similares).
En condiciones oxidantes, el uranio forma el ión
Uranilo (UO2) con el número de oxidación 6, el
cual es perfectamente soluble en agua. Por estas
razones, el uranio es un elemento bastante móvil
en condiciones oxidantes. Uranio (Z 90) tiene
3 isótopos naturales (238U, 235U y 234U), los
cuales todos son radiactivos. Torio (Z 92)
solamente tiene un isótopo natural (232Th).
2
4
Pb
Pb es un metal pesado del grupo IV (grupo del
carbón) de la tabla periódica. Como uranio y
torio es un elemento incompatible con estados de
oxidación 2 (mas abundante) y 4 . El radio
iónico es 1.19 Å (6fold coordination) y 1.29
Å (8fold coordination). El Pb tiene 4 isótopos
naturales con las siguientes abundancias (valores
promedio!)
Los isótopos 208Pb, 207Pb y 206Pb constituyen los
núcleos atómicos mas pesados y estables en la
tabla de los núclidos, son radiogénicos y
productos de tres diferentes series de
decaimiento (232Th, 235U y 238U,
respectivamente). El 204Pb es el único isótopo
de Pb no radiogénico y es estable.
5
El decaimiento de los isótopos de 238U, 235U y de
232Th no es directo. El 234U es parte de la serie
de desintegración del 238U.
6
(No Transcript)
7
(No Transcript)
8
Sistema Isotópico U-Th-Pb

• Pb es producido por tres sistemas de decaimiento
  de U y Th
• 238U ? 234U ? 206Pb
• 235U ? 207Pb
• 232Th ? 208Pb

Ecuaciones de decaimiento 206Pb/204Pb
(206Pb/204Pb)i (238U/204Pb)(el238t -1) eq
1 207Pb/204Pb (207Pb/204Pb)i
(235U/204Pb)(el235t -1) eq 2 208Pb/204Pb
(208Pb/204Pb)i (232Th/204Pb)(el232t -1) eq 3
l238 1.5512 x 10-10 a-1 l235 9.8485 x
10-10 a-1 l232 0.4947 x 10-10 a-1
9
Ecuaciones de decaimiento para los dos sistemas
del U 207Pb 235U(el235t -1) eq
4 206Pb 238U(el238t -1) eq 5 El
significa Plomo radiogénico. Dividiendo ambos
miembros 207Pb/206Pb 235U(el235t -1)/
238U(el238t -1) eq 6 Siendo que la proporción
isotópica de U es una constante 207Pb/206Pb
1(el235t -1)/ 137.88 (el238t -1) eq 7
10
Sistema U, Th-Pb
Cálculo directo de 3 edades independientes y de
la edad 207Pb/206Pb usando la tabla del siguiente
diapositivo
División 2/1, ecuación transcendente, no se puede
resolver por t directamente
11
Gráfica de la ecuación 7 relacionando la
proporción isotópica de Pb radiogénico con la
edad.
207Pb/206Pb 1(el235t -1)/ 137.88 (el238t -1)
eq 7
Esta ecuación se puede resolver por t usando la
tabla (interpolación línear). a e?238t -1 b
e?235t -1
12
Desventaja del sistema U-Th-Pb Debido a la alta
movilidad del uranio (y del plomo) en sistemas
geológicos (rocas enteras y minerales), las 4
edades (t206, t207, t208 y 207Pb/206Pb) muy
raramente coinciden porque los sistemas
isotópicos no siempre permanecen cerrados. Por
estas razones, casi no se usan diagramas de
isócrona para la determinación de la edad
(excepciones a continuación)
13
Isocrona de U-Pb para corales del Devónico en
Ontario, Canadá.
206Pb/204Pb (206Pb/204Pb)i (238U/204Pb)(el238t
-1) eq 1
Para el inicial se puede usar la isotopía de un
mineral sin U (feldespato, plagioclasa)
14
Isocrona de Pb-Pb obtenida de rocas volcánicas de
Noranda, Quebec.
206Pb/204Pb (206Pb/204Pb)i (238U/204Pb)(el238t
-1) 207Pb/204Pb (207Pb/204Pb)i
(235U/204Pb)(el235t -1)
15
1. El método U-Pb convencional
16
Material a fechar con el sistema U-(Th)-Pb

• Aplicable a rocas que contienen minerales con
  altas concentraciones de U y Th y poco Pb.
• No se pueden usar muestras de roca entera pero sí
  minerales accesorios como zircón, thorita,
  allanita (ortita), gadolinita, granate y esfena
  (titanita) (silicatos) uraninita y columbita
  (óxidos) monacita, apatito y xenotimo
  (fosfatos).
• Estas fases tienen sitios estructurales adecuados
  para alojar uranio y torio, así como otros
  elementos incompatibles.
• Las rocas ígneas o metamórficas de composición
  granítica son las más adecuadas.

17
Material a fechar con el sistema U,Th-Pb

• La gran mayoría del Pb contenido en el mineral a
  fechar debe ser de origen radiogénico y además su
  cantidad se va aumentando en función del tiempo.
• Distintas generaciones de zircones (reconocidas
  por sus morfologías, color, magnetismo,
  inclusiones) dan edades diferentes aún en las
  mismas unidades de roca.
• Fases adoptadas de eventos más tempranos,
  complican la interpretación de estas edades.

18
El zircón es el mineral mas frecuentemente usado
para fechamientos por U-Pb
Backscattered electron image of a zircon from the
Strontian Granite, Scotland. The grain has a
rounded, un-zoned core (dark) that is an
inherited high-temperature non-melted crystal
from the pre-granite source. The core is
surrounded by a zoned epitaxial igneous
overgrowth rim, crystallized from the cooling
granite. From Paterson et al. (1992), Trans.
Royal. Soc. Edinburgh. 83, 459-471. Also Geol.
Soc. Amer. Spec. Paper, 272, 459-471.
19
Zircones de granitos del margen pacífico de
México (Acapulco-Huatulco). Imágenes de
catodoluminiscencia
Núcleo heredado
Núcleo heredado
Herrmann et al. (1994)
20
Clasificación tipológica de zircones de Pupin.
21
El diagrama de concordia (Wetherill, 1956)
Concordia co-evolución simultánea de 206Pb
y 207Pb via 238U ? 234U ? 206Pb 206Pb
238U(el238t -1) eq 5 235U ? 207Pb 207Pb
235U(el235t -1) eq 4
Concordia diagram illustrating the Pb isotopic
development of a 3.5 Ga old rock with a single
episode of Pb loss. After Faure (1986).
Principles of Isotope Geology. 2nd, ed. John
Wiley Sons. New York.
22
La concordia es una curva producto de las
diferentes vidas medias de los dos sistemas
isotópicos de U. Se construye conforme a la tabla
1.8 resolviendo la ecuaciones 5 y 6 para
206Pb/238U y 207Pb/235U para diferentes tiempos
t. Muestras sin pérdida de Pb (o ganancia de U)
se encuentran encima de la concordia (caso
excepcional con el método U-Pb convencional).
Muestras que sufrieron estos fenómenos forman una
línea recta (discordia) la cual tiene dos
intersecciones con la concordia.

Tomado de Faure (2001)
23
Discordia pérdida de 206Pb y 207Pb
Concordia diagram illustrating the Pb isotopic
development of a 3.5 Ga old rock with a single
episode of Pb loss. After Faure (1986).
Principles of Isotope Geology. 2nd, ed. John
Wiley Sons. New York.
24
Influencia del contenido de U, tamaño y
susceptibilidad magnética en el grado de
discordancia.
25
Diagrama de concordia que muestra 4 poblaciones
de zircones de un solo plutón. Se muestran las
edades de U/Pb y Pb/Pb.
26
Gráfica de concordia que muestra zircones
que cristalizaron a 4.0 Ga y perdieron U durante
un evento metamórfico a 3.0 Ga
27
Diagrama con varias discordias de zircones de
metasedimentos de Sri Lanka.
28
Diagramas concordia mostrando análisis de Pb-U en
diferentes poblaciones de zircones de los
gneisses Acasta, Canadá (3.96 Ga).
29
Diagrama de concordia Tera-Wasserburg
Otra opción para presentar datos isotópicos de
U-Pb es el diagrama de Tera- Wasserburg (1972)
que sirve bien para muestras mesozoicas o mas
jovenes debido a la mejor definición de la
intersección discordia/concordia
inferior. También tiene la ventaja que no se
requieren los valores iniciales 206Pb/204Pb y
207Pb/204Pb.

30
Ejemplos Geología del Macizo de Chiapas
31
Rocas metamórficas del Paleozoico
Edades de biotita Rb-Sr
Edades de Biotitas Rb -Sr

?

?
Granodiorita Bt-244?6Ma
P8
?
Migmatita Bt 2345Ma
0 10km 20km
Migmatita Bt- 227?6Ma
P7
?
Granito Bt 2155 Ma
P10
Anfibolita Bt-217?5Ma
?
32
Errores en 2s Si se eliminan las fracciones con
alta desviación de la discordia, el error de la
edad de la intersección inferior se disminuye.
Diagramas de discordia para zircones de una
muestra meta-granítica de Chiapas
33
Zircón (U-Pb)
Esfena (U-Pb)
Hornblenda (K-Ar)
Muscovita (Rb-Sr)
Muscovita (K-Ar)
Biotita (Rb-Sr)
Biotita (K-Ar)
Apatito (traza de fisión)
Temperaturas de cierre de algunos minerales y sus
sistemas isotópicos vs. edad de una sienita en
Escocia. Las edades minerales definen la curva de
enfriamiento del plutón.
34

2. Fechamientos U-Pb con zircones sencillos
35

• Fechamientos de zircones (y otros minerales) por
  el
• método U-Pb convencional requieren procesos
• geoquímicos complejos para la separación de estos
  
• elementos.
• Existió la necesidad de determinar edades in
  situ, en
• especial para zircones complejos (núcleos
  heredados)
• o para zircones detríticos en sedimentos y
  paragneis.
• gt LA (MC) ICPMS (laser ablation (multi collector)
  
• inductively coupled plasma mass
  spectrometry)
• gt SHRIMP (sensitive high resulution ion micro
  probe)

36
SHRIMP vs. TIMS
Laser vs. SHRIMP Profundidad y tamaño del spot
Precisión

37
Ejemplos Zircones de granitos de la Costa
pacífica de México

Ducea et al., GSA Bull., 2004
38

Ducea et al., GSA Bull., 2004
39

Ducea et al., GSA Bull., 2004
40
Se usan zircones estándares medidos por TIMS para
calibrar fechamientos por LA-(MC)-ICPMS
Espectro de edades de un zircón zonado obtenido
por LA-MC-ICPMS

Gehrels et al., G3, 2008
41
Zircones de diferentes unidades del Macizo de
Chiapas

Ortogneis migmatítico
Paragneis anatexita
Paraanfibolita anatéctica
Weber et al., Int. J. Earth Sci., 2007
42
SHRIMP ages

Weber et al. (2007)
43

Weber et al. (2007)
44
Zircones de la Fm. Santa Rosa Inferior del Bloque
Maya

45
LA-MC-ICPMS ages

46
3. Serie de desequilibrio de Uranio y Th
Bibliografía IVANOVICH HARMON U-Series
disequilibrium applications to earth, marine,
and environmental sciences. Clarendon Press,
Oxford, UK, 1992, 910 pp. Bases 238U, 235U y
232Th son radiactivos y decaen en una serie
de decaimientos ( 8, 7, y 6 alfas,
respectivamente) a isótopos estables de
Pb. Normalmente la serie de decaimiento es un
sistema cerrado y hay equilibrio en la cadena de
los decaimientos ? método U-Th-Pb en la
geocronología. Sin embargo, a veces existen
perturbaciones del equilibrio causados por el
fraccionamiento geoquímico que pueden producir un
desequilibrio en la serie de decaimiento de U y
Th. Determinando después de estos procesos la
tasa de recuperación del equilibrio, sirve para
fechar el momento de la perturbación del sistema.
47
Rango de aplicación ca. 10,000 a - 500,000 a
(método en la geocronología cuaternaria) Se
requiere material con uranio y/o torio (min. 0.1
ppm U) Perturbación del estado de equilibrio en
el sistema de decaimiento U-Th-Pb puede tener
diferentes razones -intemperismo,
disolución (procesos químicos) -adsorción (proc
esos físicos) -precipitación (de
carbonatos) (procesos biológicos) -fraccionam.
durante fusíón parcial (rocas volcánicas) (proces
os geológicos) Consecuencia Adición o
extracción de isótopos padres o hijos.
48
238U 206Pb
230Th(T1/2245 ka)
234U
230Th 226Ra(T1/275.4 ka)
226Ra 222Rn(T1/21.6 ka)
210Pb 210Bi(T1/222 a)
49
235U 207Pb
231Pa 227Ac (T1/2 3.25-3.43 ka)
227Ac 223Fr (T1/2 22 a)
50
232Th 208Pb
51
Actividad (Isótopo padre hijo) dN/dt si hay
equilibrio A(P,H) 1 si hay desequilibrio A(P,H)
1 Después de una perturbación se establece
otra vez el equilibrio. El tiempo para alcanzar
el equilibrio depende de T1/2 del sistema. Dos
grupos de métodos 1. H/M lt 1 déficit del
isótopo hijo (p.ej. 230Th/234U) 2. H/M gt 1 exceso
del isótopo hijo (p.ej. 210Pb 231Pa excess)
52
Aplicaciones -Sedimentos marinos -Corales -Fosfor
itas marinos -Concreciones de carbonatos -Carbonat
os lacustres -Carbonatos secundarios
(caliche) -Conchas -Huesos y Dientes -Turba -Pigme
ntos de Pb y aleaciones -Rocas volcánicas
53
4. El método Pb común Aplicable para muestras
sin uranio (p.ej. galena (PbS), pirita,
feldespato potásico, plagioclasa) Fechamientos
de galena por Pb común son importantes para la
exploración minera. Como estos minerales (casi)
no contienen uranio ni torio, sus composiciones
isotópicas de Pb no se cambiaron desde el tiempo
de su formación hasta hoy. La isotopía de Pb en
estos minerales refleja una mezcla de Pb
primordial con Pb radiogénico producido por U y
Th en el reservorio donde se formó el mineral.
54
El modelo Holmes-Houtermann (1946) para la
evolución del Pb (single stage)
µ 238U/204Pb
Valores para el Pb primordial (Troilita Canyon
Diablo) 206Pb/204Pb 9.307 (a0) 207Pb/204Pb
10.294 (ß0) (Tatsumoto et al. (1973) existen
otros valores
55
Cálculo de la pendiente m en el diagrama
Holmes-Houtermann 207Pb/204PbMuestra
207Pb/204Pbinicial 1
e?235T e?235t 206Pb/204PbMuestra
206Pb/204Pbinicial 137.88 e?238T
e?238t


m

T edad de la tierra 4.55 x 109 a t edad de
la muestra (desconocida)
206Pb/204PbM 206Pb/204Pbi
µ
e?238T e?238t
56
Frecuentemente las edades calculadas por el
método de Holmes-Houtermann salen (mucho) mas
jóvenes que la realidad. Por estas razones,
Stacey Kramers (1975) introdujeron un modelo de
dos etapas, donde el Pb tiene una
evolución uniforme entre 4.55 Ga y 3.7 Ga. A
partir de esta fecha, que corresponde a un evento
importante de la separación de la corteza
terrestre del manto, las relaciones isotópicas de
Pb crecieron por el decaimiento de U y Th.
57
Modelo two-stage de Stacey-Kramers de la
evolución de Pb
58
5. Método de Pb-a (Larsen, 1947)

Método muy sencillo para determinar edades de
zircones y otros minerales enriquecidos en U (y
Th) sin usar un espectrómetro de
masas. Determinación de las concentraciones de U
y Th con espectrometría alfa y de Pb con
espectrometría de emisión. Sin embargo, el
método asume que TODO el Pb es de orígen
radiogénico, lo cual muy raramente es el
caso. Las edades Pb-a se calculan conforme a la
siguiente ecuación
Pb
(ppm)
t f1
238U 235 U 232Th (mg/h)
f1 constante en función a la relación atómica
U/Th
59
Como casi siempre hay también Pb común en las
muestras, las edades Pb-a frecuentemente no
corresponden al evento geológico a fechar. Por
estas razones el método se considera obsoleto.
Existen muchas aplicaciones de este método
en México durante los años 60.

60

6. La isotopía de Pb como herramienta para
resolver problemas petrogenéticos
61

62
Diferentes fuentes magmáticas para basaltos
oceánicos DM manto empobrecido (Depleted
Mantle) fuente para N-MORB BSE Bulk Silicate
Earth (manto condrítico, no diferenciado) PREMA
(PREvalent MAntle) rango isotópico limitado,
común en rocas volcánicas oceánicas dentro del
arreglo del manto mezcla DM y otra(s)
fuente(s) EM I (Enriched Mantle) 87Sr/86Sr
relativamente bajo EM II (Enriched Mantle)
87Sr/86Sr mas alto Nd en ambos fuentes casi
igual, alta concentración de Pb y edad típica
corteza continental y sus sedimentos HIMU High
µ Mantle (238U/204Pb), alto 206Pb/204Pb gt fuente
con alta concen- tración de Pb pero 87Sr/86Sr
bajo gt ningún enriquecimiento de Rb - edad gt 1
Ga - corteza oceánica subducida y reciclada (
contaminación por el agua del mar) - localmente
pérdida de Pb del manto al núcleo - pérdida de Pb
por fluidos metasomáticos

63

64
Petrogénesis con isótopos de Pb
After Wilson (1989) Igneous Petrogenesis. Kluwer.
65

66
(No Transcript)
67
(No Transcript)
68
Datos isotópicos de Sr, Nd y Pb de los volcanes
Popocatépetl, Nevado de Toluca y Pico de Orizaba.
69

• Pb es escaso en el manto
• Fundidos del manto susceptibles a contaminación
• U, Pb, y Th se concentran en la corteza
  continental
• 204Pb es no-radiogénico, 208Pb/204Pb,
  207Pb/204Pb, y 206Pb/204Pb aumentan con el
  decaimiento de U y Th
• La corteza oceánica tiene contenido elevado de U
  y Th (comparado con el manto) así como los
  sedimentos derivados de la corteza
• Pb es una medida sensible a los componentes de
  origen cortical (incluyendo sedimento) en
  sistemas isotópicos del manto
• 93.7 del U natural es 238U, por tanto,
  206Pb/204Pb será el par isotópico más sensible
  para indicar una componente cortical

70
Minerales enriquecidos en U
71
(No Transcript)
72
(No Transcript)
73
(No Transcript)
74
(No Transcript)
75
(No Transcript)