Método de uranio-plomo

El método de uranio-plomo  es uno de los tipos de datación por radioisótopos . Aplicable a objetos geológicos que contengan uranio , y se basa en determinar qué proporción del mismo se ha desintegrado durante la existencia del objeto (desde el momento en que los minerales cristalizan en él). Se utilizan dos isótopos de uranio , cuyas cadenas de desintegración terminan en diferentes isótopos de plomo ; esto mejora en gran medida la fiabilidad de los resultados.

Este método es uno de los más antiguos y bien desarrollados de datación por radioisótopos y, si se realiza bien, es el método más confiable para objetos de cientos de millones de años. Para una de sus variantes, el error promedio de los resultados de los artículos más citados alcanzó el 0,2% en 2010, y algunos laboratorios reciben mucho menos [1] [2] . Es posible datar muestras de edades cercanas a la Tierra y muestras de menos de 1 millón de años [3] [4] [1] . Se logra una mayor confiabilidad y precisión mediante el uso de datos de dos cadenas de desintegración y debido a algunas propiedades del circón  , un mineral comúnmente utilizado para la datación con uranio y plomo. Este método se considera el "estándar de oro" de la geocronología [5] [6] .

Se utilizan las siguientes transformaciones isotópicas:

238 U → 206 Pbcon una vida mediade 4,4683 ± 0,0024 mil millonesaños [7] (serie de radio - verSerie radiactiva), 235 U → 207 Pbcon una vida media0.70381± 0.00048 Ga [7] (serie actinio).

A veces, además de ellos, se utiliza la desintegración del torio-232 ( método de uranio-torio-plomo ):

232 Th → 208 Pbcon una vida media de 14,0 Ga [Comm. 1] [8] [9] (serie de torio).

Todas estas transformaciones pasan por muchas etapas, pero los nucleidos intermedios se descomponen mucho más rápido que los progenitores.

Las vidas medias de 235 U y 238 U se determinan con mayor precisión que para todos los demás isótopos utilizados en geocronología. Pero con los estudios más precisos, el error de las vidas medias se destaca entre las fuentes de errores .

La desintegración del uranio permite determinar la edad de otras formas:

Historia

A Ernest Rutherford se le ocurrió la idea de determinar la edad de las rocas basándose en la desintegración del uranio a principios del siglo XX. En ese momento, aún no se sabía que el plomo se formaba en este proceso, y los primeros intentos de datación se basaron en la cantidad de otro producto de descomposición del uranio, el helio . Rutherford expresó la primera estimación de edad de uranio-helio (y radioisótopo en general) en una conferencia en 1904 [Comm. 2] [14] [15] [16] .

En 1905, Bertram Boltwood sospechó que el plomo también se había formado a partir del uranio, y Ernest Rutherford señaló que la datación a partir de él debería ser más precisa que la del helio, que sale fácilmente de las rocas [17] . En 1907, Boltwood hizo una estimación de la constante de desintegración del uranio, determinó la proporción de las concentraciones de plomo y uranio en varias muestras de mineral de uranio y obtuvo edades de 410 a 2200 millones de años [18] . El resultado fue de gran importancia: mostró que la edad de la Tierra es muchas veces mayor que los 20-40 millones de años obtenidos diez años antes por William Thomson basándose en la tasa de enfriamiento del planeta [19] .

El siguiente paso fue obra de Arthur Holmes , quien desarrolló formas más precisas de medir la concentración de uranio y plomo. Eran adecuados no solo para minerales de uranio, sino también para otros minerales, incluido el circón . En 1911, Holmes publicó estudios de varias muestras nuevas sobre la constante de desintegración refinada del uranio. Dado que en ese momento no se sabía sobre la formación de una parte de plomo como resultado de la desintegración del torio , e incluso sobre la existencia de isótopos, las estimaciones de Boltwood solían sobreestimarse en decenas de por ciento; También se encontraron errores significativos en Holmes [17] [19] . Sin embargo, las fechas de Holmes para las muestras del Devónico (alrededor de 370 Ma) de Noruega diferían de las modernas en no más del 5% [4] .

El desarrollo posterior del método se asoció con el desarrollo de la espectrometría de masas y el descubrimiento de isótopos de plomo y uranio debido a esto ( el uranio-235 se descubrió en 1935). En las décadas de 1930 y 1940, Alfred Nir desarrolló instrumentos capaces de medir la composición isotópica de estos elementos con suficiente precisión [4] . El primer método de espectrometría de masas utilizado fue la espectrometría de masas de ionización térmica[1] . Más tarde, los métodos de estudio de secciones microscópicas de muestras entraron en la práctica de la datación: a fines de la década de 1970, la espectrometría de masas de iones secundarios [1] (que se generalizó en la década de 1990) [4] y, a principios de la década de 1990, la espectrometría de masas de acoplamiento inductivo de plasma . y ablación con láser [20] [21] . El mejor modelo para la datación [5] del espectrómetro de masas de iones secundarios - SHRIMP  - fue creado por William Compston con colegas de la Universidad Nacional de Australia en 1975-1980. Esta invención, al reducir la masa requerida de la muestra en 3 órdenes de magnitud y acelerar significativamente las mediciones [22] , marcó el comienzo de una nueva etapa en el desarrollo de la datación con uranio-plomo [4] .

En 1955, George Tiltonla dilución de isótopos para determinar la composición de las muestras , lo que abrió el camino a una alta precisión de medición y al uso masivo del circón, que desde entonces se ha convertido en el principal mineral utilizado [21] . En las décadas de 1950 y 1960, las etiquetas de isótopos de uranio y plomo para dilución estuvieron ampliamente disponibles [4] . En 1956, George Weatherill propuso una visualización del método que se ha vuelto comúnmente utilizado: el diagrama de concordia [1] , y Claire Patterson determinó la edad de la Tierra mediante el método plomo-plomo. En 1971 se publicaron valores muy precisos de las constantes de desintegración de los isótopos de uranio [7] , que aún se utilizan [1] . En 1973 , Thomas Krogh propuso un método para disolver circón con ácido fluorhídrico en recipientes de teflón , que redujo la contaminación de las muestras con plomo en 3 órdenes de magnitud [23] . Esto aumentó considerablemente la precisión de la datación y el número de laboratorios que participan en ellos [24] [21] [1] . Desde la década de 1950, ha continuado el desarrollo de métodos para eliminar las áreas dañadas de los cristales de circón [25] . En 1982, Thomas Krogh propuso un exitoso método mecánico [26] y en 2005 James Mattinson uno químico [25] , que se han convertido en estándar [1] [4] . Gracias a estos y otros inventos, durante la existencia del método de uranio-plomo, la masa requerida de la muestra ha disminuido en muchos órdenes de magnitud y la precisión ha aumentado en 1-2 órdenes de magnitud [1] . El número anual de publicaciones dedicadas a la datación con uranio-plomo crece constantemente y se triplicó con creces entre 2000 y 2010 [1] .

Minerales utilizados

Muy a menudo, el circón (ZrSiO 4 ) se utiliza para la datación mediante el método de uranio-plomo. Los siguientes minerales más importantes utilizados  son la monacita , la titanita y la baddeleyita [5] . Además, se utilizan perovskita , apatita , alanita , rutilo , xenotima , uraninita , calcita , aragonita , torita , pirocloro y otras [4] [27] . A veces, el método se aplica a rocas que consisten en una mezcla de diferentes minerales, así como a material no cristalino: ópalo [28] .

El circón tiene una alta resistencia, resistencia al ataque químico y una alta temperatura de cierre  , más de 950–1000°C [29] (es decir, no intercambia plomo con el medio ambiente a temperaturas más bajas). Además, es importante que esté ampliamente distribuido en las rocas ígneas . El uranio se integra fácilmente en su red cristalina , y el plomo es mucho más difícil, por lo que generalmente se puede considerar que todo el plomo en el circón se formó después de la cristalización. La cantidad de plomo de otro origen se puede calcular a partir de la cantidad de plomo-204 que no se forma durante la desintegración de los isótopos de uranio [30] [1] [21] .

La baddeleyita , la monacita y la titanita tienen propiedades similares (la última, sin embargo, gana más plomo durante la cristalización) [2] [29] . Sus temperaturas de cierre son >950 °C , >750 °C y 600–650 °C , respectivamente [29] . La baddeleyita y, a bajas temperaturas, la monacita con titanita son menos propensas a la pérdida de plomo que el circón [5] [2] .

El método del uranio-plomo también fecha restos fósiles de organismos que contienen carbonato cálcico o apatita , aunque estos materiales son menos adecuados para ello. En particular, existen estimaciones de la edad de la apatita a partir de elementos de conodontes y de dientes de tiburones y dinosaurios [31] . La datación de este mineral se complica por la baja relación inicial de concentraciones de U/Pb y otras razones [32] . Su temperatura de cierre es de 425-500°C [29] . Los dientes durante la vida del organismo prácticamente no contienen uranio y torio y los adquieren sólo durante la fosilización ; una gran cantidad de uranio también se absorbe durante la fosilización de los huesos [31] . El error en la datación de los fósiles de apatita disponibles para 2012 es de un 10 % o más [33] . En los carbonatos, la relación inicial de las concentraciones de U/Pb, por el contrario, es alta, pero son más susceptibles al intercambio de sustancias con el medio ambiente (en particular, durante su característica transformación de aragonito en calcita ) [5] . Según las previsiones de 2015, la datación de fosfatos y carbonatos con uranio-plomo se desarrollará intensamente en los próximos años [4] .

Preparación de muestras

Diferentes cristales e incluso regiones de cristales de la misma entidad geológica pueden tener diferente idoneidad para la datación: difieren en el grado de daño por radiación y factores externos; además, el cristal puede consistir en un núcleo antiguo ("núcleo heredado"), sobre el cual crecieron más tarde nuevas capas [1] [5] . Por lo tanto, es necesario seleccionar muestras adecuadas, sus regiones o fragmentos bajo un microscopio. Para ello se utilizan tanto la microscopía óptica como la electrónica [1] [6] .

Las regiones exteriores de los cristales de circón son más propensas a sufrir daños, también porque suelen contener más uranio [6] . Estas áreas se pueden eliminar mecánica o químicamente. Durante algún tiempo, el estándar fue la abrasión de los cristales durante su movimiento circular en una corriente de aire en una cámara de acero (abrasión por aire, Thomas Krogh , 1982) [26] , y más tarde, su grabado con ácido fluorhídrico y nítrico . con recocido preliminar ("abrasión química", James Mattinson, 2005) [25] [1] . El recocido es necesario para eliminar los defectos de la red, en cuya presencia el grabado viola la composición elemental e incluso isotópica de la muestra. A diferencia de la abrasión, el grabado elimina las áreas dañadas ( metamiktizadas ) y en lo profundo del cristal, alrededor de las microfisuras. Estos métodos de procesamiento aumentan considerablemente la precisión de los resultados [5] [4] [24] [21] [34] .

Para los estudios ID-TIMS, los cristales preparados se disuelven en ácido fluorhídrico o clorhídrico en recipientes de teflón [23] mediante la adición de una etiqueta isotópica (ver más abajo). Además, el uranio y el plomo se pueden separar de otros elementos para mejorar la precisión mediante reacciones de intercambio iónico (las impurezas dificultan la ionización del uranio y el plomo en el filamento del espectrómetro y, en el caso de una masa de iones cercana, son difíciles de separar de durante las mediciones), después de lo cual la muestra se aplica al filamento [1 ] . Para la investigación por métodos basados ​​en la irradiación de muestras, se encierran en resina epoxi y se pulen [20] [31] [35] [36] .

Medición de concentraciones de isótopos

Las mediciones más precisas de la composición de la muestra se obtienen mediante espectrometría de masas de ionización térmica ( TIMS ) en combinación con grabado de cristal ( CA ) y dilución de isótopos de la muestra ( ID ) - CA-ID-TIMS [6 ] .

El uso de la dilución de isótopos está asociado con la necesidad de medir con precisión la proporción de concentraciones no solo de isótopos de un elemento (que es fácil de hacer en espectrómetros de masas ), sino también de isótopos de diferentes elementos. Para hacer esto, la muestra se mezcla con un marcador de isótopos (una cantidad conocida de los mismos elementos con una composición isotópica diferente), después de lo cual se puede calcular la composición inicial de la muestra a partir de las proporciones de concentración de isótopos medidas de cada elemento [3] [37 ] [4] [5] .

Los siguientes métodos para determinar la composición son adecuados para el estudio de regiones microscópicas individuales de cristales. Son menos precisos, pero también consumen menos tiempo que TIMS. Dado que la dilución isotópica no es aplicable a ellos, para medir con precisión la proporción de concentraciones elementales, requieren calibración con muestras de composición conocida [4] [1] .

Según los datos promediados de los artículos más citados , el error (2 σ ) de las fechas de 206 Pb/ 238 U a partir de 2010 fue del 0,2 % para ID-TIMS y de alrededor del 3 % para SIMS y LA-ICP-MS [1] . En algunos laboratorios, la precisión habitual de la datación de granos de circón individuales (a partir de 2015) puede alcanzar el 0,05 % para ID-TIMS y el 0,5 % para SIMS y LA-ICP-MS [2] .

La masa consumida de la muestra, según los datos promediados de los artículos más citados para 2010, fue de unos 10 −5 g para ID-TIMS y de unos 5 · 10 −9 g para SIMS [1] (estudios con SIMS y LA-ICP -Los métodos MS consumen un área de muestra con un diámetro de decenas de micrones y una profundidad de 1-2 micrones (SIMS) o decenas de micrones (LA-ICP-MS) [2] [21] ; EPMA y PIXE pueden trabajar en un área un orden de magnitud más pequeño en diámetro y no lo destruyas) [1 ] [6] [4] [36] . El tiempo de análisis, según los mismos datos, es de varias horas para ID-TIMS, alrededor de media hora para SIMS y ≤2 minutos para LA-ICP-MS [1] . En el estudio EPMA, un punto de la muestra tarda segundos o decenas de segundos, y la construcción de un mapa de edad de 200 × 200 píxeles suele tardar hasta 30 horas [38] [35] .

Metodología para contabilizar pérdidas de plomo

El uso de dos isótopos de uranio permite determinar la edad de un objeto incluso si ha perdido parte de su plomo. Dado que 235 U se desintegra más rápido que 238 U, la relación crece más rápido que . Para muestras sin antecedentes de pérdida o adición de los isótopos considerados, ambas proporciones aumentan con la edad de una manera estrictamente definida. Por lo tanto, en un gráfico a lo largo de los ejes en los que se trazan estos valores, los puntos correspondientes a dichas muestras solo pueden estar en una línea específica. Esta línea se conoce como concordia o curva de valores constantes de edad absoluta [40] , los puntos que caen sobre ella, como concordantes , y los que no caen, como discordantes . A medida que la muestra envejece, el punto se mueve a lo largo de ella. Así, cada punto de la concordia corresponde a una determinada edad de la muestra. La edad cero corresponde al origen (0,0).

Si la muestra pierde plomo, entonces el porcentaje de pérdida es, en una primera aproximación, el mismo para todos sus isótopos. Por tanto, el punto correspondiente al patrón se desplaza de la concordia hacia el punto (0,0). La cantidad de cambio es proporcional a la cantidad de plomo perdido. Si tomamos varias muestras de la misma edad, que difieren en la magnitud de estas pérdidas, los puntos correspondientes estarán en una línea recta que corta la concordia y apunta aproximadamente al origen. Esta línea recta se conoce como la discordia ; es una isócrona (es decir, todos sus puntos corresponden a la misma edad). El punto superior de intersección de la concordia con esta línea muestra la edad del objeto [30] [40] .

El segundo punto de intersección (inferior) corresponde idealmente a la edad del evento metamórfico que condujo a la pérdida de plomo. Si sucedió recientemente, este punto está en el origen; a medida que la muestra envejece, avanza hacia una mayor edad [1] . Pero si la pérdida de plomo no fue instantánea, sino que se prolongó en un tiempo comparable a la edad de la muestra, la discordia deja de ser una línea recta. Entonces la posición del punto inferior de intersección de la recta que la aproxima a la concordia no significa nada. La fuga gradual de plomo no es infrecuente, ya que se facilita en gran medida en lugares donde la radiación daña los cristales. Por lo tanto, la interpretación de la posición de este punto es ambigua [1] ; existe la opinión de que debe considerarse como un indicador de la edad de un posible evento de metamorfismo solo cuando hay signos geológicos de tal evento [5] .

La posición del punto de cruce superior no depende de si la pérdida de plomo fue instantánea o gradual; este punto muestra la edad del objeto en ambos casos [5] .

La adquisición de uranio por una muestra desplaza los puntos en el diagrama de manera similar a la pérdida de plomo, y la pérdida de uranio, así como la adquisición de plomo, en la dirección opuesta ("discordancia inversa", ing.  inversa discordancia ). En caso de pérdida de uranio, la posición de los puntos de intersección de concordia y discordia puede interpretarse de manera similar a la descrita anteriormente. Sin embargo, el circón es propenso a la pérdida de plomo (cuyos átomos están peor integrados en su red cristalina y están ubicados en los lugares de su daño por radiación) [6] , y de las situaciones mencionadas, ocurre con mayor frecuencia. La discordancia inversa, a veces observada en algunas áreas de cristales de circón, puede explicarse por la migración de plomo dentro del cristal [5] ; en algunos minerales es más común y puede tener otras causas [21] . La adquisición de plomo hace que las muestras no sean adecuadas para la determinación de la edad, ya que la composición isotópica de este plomo puede variar. Sin embargo, es raro [6] .

El problema de la precisión de las constantes de decaimiento

En la datación de uranio-plomo se aceptan los valores de las constantes de desintegración de los isótopos de uranio, publicados [7] allá por 1971 y recomendados en 1977 [9] por el Subcomité de Geocronología de la Unión Internacional de Ciencias Geológicas . Su error (2 σ ) es del 0,11 % para el uranio-238 y del 0,14 % para el uranio-235 [5] [6] . Es más pequeño que el de todos los demás isótopos utilizados para la datación [41] [1] , pero con el desarrollo del método se ha convertido en el principal obstáculo para aumentar la precisión de los resultados (el error de otras fuentes de error a menudo resulta sea ​​inferior al 0,1%) [5] [42] [2] .

Una comparación de los datos obtenidos para diferentes isótopos de uranio mostró que existe cierta inconsistencia en los valores aceptados de estas constantes, lo que puede explicarse porque el valor de la constante de desintegración del uranio-235 está subestimado en un 0,09% (aunque sin exceder el error indicado). La corrección de este valor puede aumentar ligeramente la precisión de la datación, pero un mayor refinamiento requiere nuevas mediciones de las constantes mencionadas [42] [43] [41] [6] , y estas mediciones son una tarea urgente [44] . Además, los estudios modernos muestran que la relación promedio de las concentraciones de isótopos de uranio para las rocas terrestres , que es importante para la datación plomo-plomo , es ligeramente menor que el valor aceptado [9] de 137,88 y es de aproximadamente 137,82, y en diferentes muestras difiere por centésimas e incluso décimas de un por ciento [6] [4] [1] .

Notas

Comentarios
  1. ↑ En geocronología se acepta el valor de 14,01 ± 0,07 mil millones de años, y en física nuclear - 14,05 ± 0,06 mil millones de años.
  2. ↑ La estimación de Rutherford se basó en los datos de Ramsay y Travers sobre el contenido de uranio y helio de la fergusonita . Fue hace 40 Ma; al año siguiente, Rutherford lo revisó, teniendo en cuenta la tasa refinada de formación de helio, y recibió 500 millones de años.
  3. ↑ Debido al altísimo contenido de uranio, torio y, en consecuencia, plomo radiogénico, así como (a bajas temperaturas) menor propensión a perder plomo que el circón.
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Literatura


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