El circón hadeano es el material de la corteza más antiguo que ha sobrevivido desde el período geológico más antiguo de la Tierra, el eón hadeano , hace unos 4.000 millones de años. El circón es un mineral que se usa comúnmente para la datación radiométrica porque es altamente 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]
El circón hadeano 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 derretirse. [1] En Jack Hills , Australia, los científicos obtuvieron un registro relativamente completo de los cristales de circón hadeano en contraste con otros lugares. Los zircones 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 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, laproporciones de isótopos , inclusiones minerales y geoquímica del circón. Las características de los circones de Hadean 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
Comprensión más profunda de la historia de la Tierra
La historia geológica del eón hadeano de la Tierra primitiva es poco conocida debido a la falta de registros de rocas mayores de 4.02 Ga ( giga-año o mil millones de años). [2] [3] [4] La mayoría de los científicos aceptan que el mecanismo de reciclaje de placas ha derretido casi todas las piezas de la corteza terrestre. [2] Sin embargo, algunas partes diminutas de la corteza no se han derretido, ya que se descubrieron algunos raros granos de circón Hadeano incluidos en una roca huésped mucho más joven. [2] El examen de los granos de circonio detríticos o heredados del Hades puede dar evidencia de las condiciones geofísicas de la Tierra primitiva. [4]
Contribución científica
Dado que no hay pruebas sólidas que describan el verdadero entorno de la Tierra primitiva, se generan muchos modelos para explicar la historia de la Tierra primitiva. [1] El alto valor de la producción de calor hadeano y el flujo de impacto demostró que la corteza continental no existía, 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, el cálculo en geofísica y ciencia planetaria se ha desarrollado rápidamente 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 al menos un circón de 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 anormalmente alta para la mayoría de las cuarcitas arcaicas y, por lo tanto, las probabilidades de abundancia de otras manchas son extremadamente bajas (0.2–0.02%). [5] [ verificación fallida ]
Al adoptar la datación con uranio-plomo (U-Pb) junto con otros métodos analíticos, se puede obtener más información geoquímica . Solo el 3% de más de 200.000 granos de circonio detrítico fechados por análisis de U-Pb tienen más de cuatro mil millones de años. [6] [7]
Tipos
Debido al diferente contenido de uranio y concentración de oligoelementos, se identifican cuatro grupos de circones como se indica a continuación [1]
- Lunar y meteoritos de circón
- Circón de granos detríticos
- kimberlita de circón
- Circón de corteza oceánica
Las bajas temperaturas de cristalización y las características de los oligoelementos son las dos principales características 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 REE, por ejemplo, la falta de una anomalía de cerio . [11] La temperatura de cristalización varía de 900 a 1100 ° C. Por el contrario, las circonitas hadesas terrestres están restringidas a 600 a 780 ° C. [12] El zircón de Hadean Jack Hills tiene una amplia gama de fracción de oxígeno en comparación con los zircones meteoríticos. [12] No se encontraron circones extraterrestres en ninguna localidad terrestre. Las características de textura como la zonificación de crecimiento y la mineralogía de inclusión muestran que el circón hadeano de Jack Hills proviene de fuentes ígneas. [13] [14]
Propiedades
Las muestras no especificadas utilizadas para los análisis a continuación fueron el circón de Jack Hills en Australia debido a la gran abundancia y los datos disponibles.
Distribución de edad
U-Pb de citas en el sistema U-Pb durante mucho tiempo ha sido visto como la corteza geochronometer porque circón es químicamente resistente y enriquecido en U y Th en comparación con el producto hija Pb. [16] Los oligoelementos y la composición isotópica del circón son importantes para determinar el entorno de cristalización. [dieciséis]
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 importantes en c. 3.4 y 4.1 Ga.
Sin embargo, el circón es sensible al daño por radiación y puede degradarse a material amorfo . [19] El zircón de Hadean con concentraciones de uranio originales superiores a 600 ppm se ve desafiado por el efecto de la alteración posterior a la cristalización.
Geoquímica de isótopos
Datos de isótopos estables , que indican que las rocas originales del huésped al circón se relacionan con una cantidad significativa de material formado en o cerca de la superficie de la Tierra y posteriormente transferido a un nivel de la corteza media a inferior donde se derritieron para generar los magmas del huésped a partir del cual el circón cristalizado. [6] [13]
Tipo de datos | Observación | Interpretación | Limitación |
---|---|---|---|
Isótopos de oxígeno proporciones | Granitoides con valores más bajos de ઠ 18 O | Hubo interacciones hidrotermales con agua meteórica en lugar de meteorización . [20] [21] | Existe una falta de registro completo de las áreas analizadas dentro de los granos, lo que conduce a la dificultad de relacionar las edades de partes de los granos de circón fechadas específicamente con su sistemática de isótopos de oxígeno y hafnio y concentraciones de elementos traza . [22] |
Se han medido las proporciones de isótopos de oxígeno en circones hadeanos. Alto valor de 18 ઠ SMOW observa en circones Hadeano Jack Hills conducido a dos ideas diferentes acerca de la fuente de Hadeano circón. [22] [6] Se encontraron minerales arcillosos enriquecidos con 18 O en la roca huésped de los granos de circón. | El agua estaba presente en la superficie de la Tierra alrededor de 4.3 Ga. [6] | ||
Los zircones de Hadean Jack Hills contienen más enriquecimientos en 18 O que el zircón del manto, aproximadamente un 5,3%. [23] Los protolitos de granitoides de tipo I dan valores de ઠ 18 O relativamente bajos , mientras que los derivados de rocas metasedimentarias de tipo S tienen valores de ઠ 18 O más altos. | La presencia en el protolito de material de la corteza reciclado que había interactuado con agua líquida debajo de la superficie o cerca de la superficie. [23] | ||
Lutecio-hafnio | La relación de los datos de isótopos de hafnio 176 Hf / 177 Hf en rocas de la corteza es consistente con la formación de corteza desde 4.5 Ga. [24] [25] | La sistemática de Lu-Hf indica potencialmente la existencia de un reservorio formado temprano, similar a la corteza continental en su grado de agotamiento de Lu en relación con Hf. [24] [25] | La mayoría de los datos coinciden con la formación de corteza a 4.5 Ga, mientras que algunos datos de circón no son razonables y requieren la eliminación de protolitos del reservorio uniforme cronométrico (CHUR). Debido a estos hallazgos adicionales, los estudios no pueden conformar el valor positivo de E Hf (T) debido a la complicación del análisis de isótopos de Hf y la falta de datos U-Pb disponibles simultáneamente. [24] |
Grupo de resultados a lo largo de una línea correspondiente a Lu / Hf ~ 0.01, reservorio bajo en ~ 4Ga [26] | Los datos son consistentes con la extracción temprana de una corteza muy félsica o con la refundición de un reservorio basáltico primordial , pero en cualquier caso, la extrapolación de esta tendencia arroja un εHf (T) actual de aproximadamente -100 [25] [26] | Un evento de reciclaje c. 3.9-3.7 Ga, que se asemeja a la evolución del isótopo Hf de los orógenos modernos relacionados con la subducción y, por lo tanto, puede tener un significado tectónico adicional. [26] | |
Plutonio-xenón | Algunos granos de circón de Hadean originalmente contenían plutonio , un elemento que desde entonces ha desaparecido del entorno natural. En el registro de meteoritos, la proporción de abundancia de plutonio inicial a uranio (Pu / U) era de aproximadamente 0,007 y 244 Pu estaba presente en los inicios del Sistema Solar . [27] | El resultado de la relación se puede interpretar como pérdida de xenón durante el metamorfismo posterior . El uranio se oxidó a ion uranilo soluble (UO 2 2+ ), mientras que la solubilidad de los compuestos de plutonio es baja, las variaciones en Pu / U se consideran un indicador eficaz de la alteración acuosa en los protolitos de Jack Hills. [28] | Solo Nd / U tiene correlaciones esperadas de procesos acuosos excluyendo el análisis de las relaciones isotópicas Xe, edad U-Pb , contenido de oligoelementos y δ18O [27] [28] |
Las relaciones iniciales Pu / U del circón Jack Hills varían entre c. 0,007 a cero. [28] | Debido a la pérdida de Xe durante el metamorfismo posterior. Se ha sugerido que la variación en Pu / U es un indicador potencial de alteración acuosa en los protolitos de circón de Jack Hills [28]. | ||
Los circones de Nd / U altos muestran solo Pu / U bajo, mientras que los circones Nd / U muestran Pu / U más heterogéneos [28] | El grupo de alto Nd / U parece menos evolucionado mágicamente que otros circones de Hadean, tiene patrones REE sugestivos de algún grado de alteración, ya sea por interacción de fluidos hidrotermales o reemplazo de fosfato , y consiste únicamente en circones de Pu / U bajo con un rango de Hadean a Edades del proterozoico U-Xe [27] [28] | ||
Litio | Los isótopos de litio varían significativamente en el circón hadeano. El resultado del isótopo 7 Li de los circones de Hadean Jack Hills dio valores muy negativos. [29] | El entorno de formación de circón es muy degradado. [29] | Una alta tasa de difusión del litio en el circón a baja temperatura [30] y el intercambio con hidrógeno durante el metamorfismo son dos ejemplos de variaciones posteriores del litio que pueden limitar la utilidad de las mediciones [30]. |
El Li se distribuye homogéneamente dentro de las zonas de crecimiento individuales de los circones. Los circones de Jack Hills se dividen en zonas en concentraciones de 7 Li y Li. [31] | Estos valores se correlacionan con la zonificación de crecimiento ígneo. [32] [31] |
Inclusiones minerales
El desarrollo de criterios de textura para identificar inclusiones primarias [33] abre posibilidades para reconocer la procedencia cambiante de los circones con el tiempo e investigar su historial de alteraciones posdeposicionales. Hay dos ensamblajes de inclusión comunes que son consistentes con su formación en granitoides "tipo I" ( hornblenda , cuarzo, biotita, plagioclasa, apatita , ilmenita ) y "tipo S" (cuarzo, feldespato K, moscovita, monacita ) . [33] Dominado por cuarzo con menos abundante K-feldespato, plagioclasa, moscovita, biotita y fosfatos, que se interpreta que se formaron bajo un gradiente geotérmico relativamente bajo similar al de las zonas de subducción modernas . [14] [33]
Tipo de datos | Observación | Interpretación |
---|---|---|
moscovita | El cuarzo y la moscovita son las principales fases de inclusión, apuntando potencialmente a una fuente granítica aluminosa . [14] [34] Hopkins (2010) utilizó un modelo de solución termodinámica para la sustitución de celadonita en moscovita [35] para estimar las presiones para las inclusiones de moscovita en circones magmáticos . El resultado reveló que las condiciones de presión para más de 1700 muestras de inclusión son superiores a 5 kbar , junto con una temperatura de cristalización de circonitas huésped relativamente baja. [35] | La inclusión de moscovita junto con un modelo termodinámico implicaba que la superficie de la Tierra tenía un flujo de calor notablemente bajo. Este resultado llevó a los científicos a sugerir la formación en un entorno de subducción o subducción como el que se encuentra en la Tierra moderna [14] [34]. |
Óxidos de hierro | La anomalía de cerio de un circón (Ce / Ce *) es una investigación cuantitativa del magma fO 2 del huésped . [36] Los circones de Hadean Jack Hills muestran un rango de fO 2 con un promedio cercano al tampón fayalita - magnetita - cuarzo (FMQ). [37] | El entorno geológico de Hadean es similar al manto superior moderno [36] [37] |
Biotita | La composición de la biotita difiere entre los granitoides. FeO, MgO y Al 2 O 3 aislan granitoides calco-alcalinos , peraluminosos y alcalinos . [38] [ se necesita cita completa ] | Se puede conocer la naturaleza de las composiciones fundidas de Hadean. [38] |
Se han revelado fases sulfuradas y carbonáceas en el circón Hadeano, aunque el número de casos es pequeño. [38] | Las fases raras han eliminado los contenidos volátiles en los magmas y materiales de origen de Hadean. [38] | |
Grafito | Al conocer la ocurrencia del carbono, la existencia de vida puede revelarse en el aspecto del tiempo, las condiciones y los mecanismos. [39] [40] | El resultado isotópico identificó que el circón tenía una edad de 3.8 a 3.5 mil millones de años y el metabolismo se ha producido dentro de la microbiota del huésped . [39] [40] |
Geoquímica de circón
Al analizar el contenido de circón, algunos circón muestran la presencia de titanio, minerales de tierras raras, litio, aluminio y carbono. Cierta proporción y distribución normal dan evidencia del origen del circón y la fuente del magma.
Tipo de datos | Observación | Interpretación | Limitación |
---|---|---|---|
Titanio | El contenido de Ti-en-circonio sirve como termómetro de cristalización dado el conocimiento de la masa fundida de SiO2 y TiO2. [41] [42] Las medidas de Ti se aplicaron a granos que van desde 3,91 a 4,35 Ga y la mayoría de los datos trazan un gráfico de distribución normal . [41] | La cristalización de los granos de Ti-en-circonio proviene de fundidos evolucionados [41] | Produjo una temperatura extremadamente alta de 680 ± 25 ° C. Dado que se desconoce la cristalización del rutilo , los investigadores solo pueden estimar la temperatura mediante cálculos. [43] |
Mineral de tierras raras | La anomalía de cerio de un circón (Ce / Ce *) es una investigación cuantitativa del magma f O2 del huésped . [42] El resultado mostró un valor bajo de la relación Ce / Ce *. | Diversidad de materiales básicos [42] | Firmas REE en algunos granos de circón que se ha interpretado que indican la cristalización de estos granos a partir de fundidos evolucionados. [41] [42] [43] |
En el análisis de EDS, la magnetita fue dominante en la inclusión en lugar de la ilmenita en los granitoides. [44] | La alternancia hidrotermal de circón a menudo está determinada por un patrón de minerales de tierras raras (LREE) de luz alta y plana. [44] | ||
Litio | La zonificación de Li en circón sirve como un indicador de temperatura máxima al examinar la retención de señales magnéticas remanentes primarias . [32] Circón de Jack Hills que contiene c. Banda de concentración de Li de 5 hacia arriba que requería una temperatura de calentamiento máxima de circón por debajo de 500 ° C. | Los granos se pueden aplicar para estudiar el magnetismo primario porque no excedió la temperatura de Curie, que es de 585 ° C para la magnetita . [32] | Los metaconglomerados en Erawondoo Hill no experimentaron temperaturas superiores a 500 ° C. [31] El resultado mostró que hay variación de datos e historial térmico en diferentes ocurrencias. [31] |
Aluminio | Los granitoides peraluminosos contienen alrededor de 10 ppm de aluminio en circón Jack Hills [32] mientras que el circón tipo I y el tipo A obtuvieron un promedio de 1.3 ppm. El valor molar de Al 2 O 3 / (CaO + Na 2 O + K 2 O) mayor que 1. [45] | El origen es de material pelítico reciclado . [45] | Una pequeña cantidad de circón de muestra contiene altos contenidos de Al, lo que sugiere que las rocas de la corteza metaluminosas son más comunes que las rocas peraluminosas en el Hadeano. Sin embargo, el c. La superposición del 20% de bajo contenido de Al (es decir, <5 ppm) en circones de tipo S oscurece un poco esta inferencia. [46] |
Algunos de los granos presentan un alto contenido de aluminio [45] | Las rocas de la corteza metaluminosas pueden ser más comunes que las rocas peraluminosas en el Hadeano. [45] | ||
Carbón | Los científicos midieron la concentración de carbono en forma de grafito en circón utilizando un espectrómetro de masas de iones secundarios (SIMS). La detección de carbono de la corteza de Hadean podría asegurar que hubo una transferencia de carbono de los reservorios del manto [47] | Permitir la selección entre modelos de la tierra primitiva. [48] | Muchos modelos de la Tierra primitiva contienen esta propiedad que no puede confirmar qué modelo es correcto [47] [48] |
Método analítico
Análisis de 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 SIMS de alta precisión in situ de isótopos de oxígeno [51] y relaciones OH / O, espectrometría de masas acoplada inductivamente por ablación con láser (LA-ICP-MS) determinación de isótopos de hafnio , [52] [53] y tomografía de sonda atómica . [54] 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 de más de 4000 millones de años se deba a la inclusión de Pb no radiogénico.
Las mediciones de datación U-Pb, delta 18 O y Ti pueden probarse con la microsonda de iones CAMECA ims 1270. [51] Se aplica epoxi a la muestra. Se necesita una superficie plana de muestra para realizar un análisis. [55] U-Pb citas y medición T utiliza un O primaria - haz con baja intensidad (10-15 nA). El estándar de edad U-Pb AS3 se utilizó para los estudios de datación. La concentración de Ti se puede determinar basándose en el análisis de circón Jack Hills [55] y vidrio NIST610.
Análisis de microsonda de electrones
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. Los haces de electrones se emiten a la superficie del mineral y soplan iones y estiman la abundancia de los elementos dentro de una muestra de tamaño muy pequeño. En este análisis se pueden medir muchos isótopos a la vez, por ejemplo, Ti y Li. [32]
Ocurrencia
Ocurrencias | Método analítico y resultado | Interpretación |
---|---|---|
Australia | ||
monte Narryer [56] [57] | La datación por microsonda de iones de 80 circones detríticos de cuarcitas ha revelado que de 2% a 12% de granos> 4.0Ga, con circonitas más jóvenes que varían hasta aproximadamente 3 Ga. En el estudio LA-ICP-MS, Mt. Las circonitas Narryer tienen un contenido de U más alto y una Ce / Ce * más baja en contraste con las circonitas Jack Hills | Diversidad de roca madre. Orígenes magmáticos. |
Churla Wells [58] | Los granos son de 4.14 a 4.18Ga usando la datación 207Pb / 206Pb. La región central tiene Hf, REE, U y Th mucho más bajos que otras regiones externas. Mientras que el contenido de U en el núcleo es de alrededor de 666 ppm, Th / U es de 0,6. | Origen del magma granítico |
Colinas de Maynard [59] | La datación del cinturón de piedra verde reveló que la edad 207Pb / 206Pb es 4.35Ga. | / |
Mt Alfred [60] | El circón concordante tiene la edad 4.17Ga. No se han recopilado datos geoquímicos | / |
América del norte | ||
Territorio del Noroeste, Canadá [61] [62] [63] | La edad de cristalización del protolito es 3.96Ga analizada por datación U-Pb. Aplicando LA-ICP-MS, se estaba fechando el zircón 4.20 + 0.06Ga. El circón inalterado bajo el método anterior obtuvo el patrón LREE. | Origen magmático. Derivación de una fusión félsica mediante un proceso distinto a la diferenciación de un magma máfico |
Groenlandia [64] [65] | La edad de cristalización se determina como 3,83 ± 0,01 Ga mediante datación con microsonda de iones. Se identificó 4.08 ± 0.02Ga en la encuesta U-Pb | / |
Asia | ||
Tíbet [66] | En el método de microsonda de iones, la relación Th / U del grano detrítico es superior a 0,7 | Origen magmático |
North Qinling [67] | La edad LA-ICP-MS del circón xenocrístico en el cinturón orogénico de North Qinling es 4.08Ga. El isótopo Hf también es compatible con los datos de edad de la prueba LA-ICP-MS | / |
Cratón del norte de China [68] | El circón es 4.17 ± 0.05Ga determinado por el método de datación LA-ICP-MS U-Pb. La relación Th / U es 0.46 | Origen magmático |
Sur de China [69] | La datación U-Pb con microsonda iónica conductora, 207 Pb / 206 Pb es 4,13 ± 0,01 Ga con datos de isótopos de 18 O de 5,9 ± 0,1% . Anomalía de Ce positiva | La tierra primitiva es un ambiente altamente oxidante y una temperatura de cristalización de Ti-en-circonitas alta de 910 ° C. |
Sudamerica | ||
Guyana meridional [70] | 4.22Ga por el método de datación LA-ICP-MS U-Pb. No se ha realizado ningún otro análisis geoquímico | / |
Este de Brasil [71] | La edad de la roca es 4.22Ga y relaciones Th / U de 0.8 y altos contenidos de U (hasta 1400ppm) | Origen magmático felésico |
Mecanismos propuestos para formar circonitas Hadean Jack Hills
La teoría de la tectónica de placas es ampliamente aceptada para la generación de corteza. Sin embargo, todavía se desconoce cómo se formó la Tierra primitiva. Con el registro de rocas de Hadean, la mayoría de los científicos concluyeron que la creencia de una Tierra primitiva infernal desprovista de océano es incorrecta. [1] Los científicos han construido diferentes modelos para explicar la historia térmica en la historia temprana, incluido el modelo de crecimiento continental, [72] riolitas islandesas, [73] rocas ígneas intermedias, rocas ígneas máficas, sagducción, [74] derretimiento por impacto , [75] calor tectónica de tuberías, [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 en oxígeno pesado, contienen inclusión similar 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 más tarde meteorizados en condiciones de alta actividad de agua e incluso la posible existencia de interacciones en los límites de las placas . [1]
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