El zircón (ZrSiO4) es un mineral accesorio común en una amplia variedad de rocas ígneas, sedimentarias y metamórficas. La importancia de este mineral es su durabilidad fisicoquímica y su alta resistencia a diversos procesos geológicos, además de su capacidad para albergar altas concentraciones de elementos traza, incluyendo dos radionúclidos de importancia geocronológica, uno el sistema U-Th-Pb y otro el sistema Lu-Hf. El zircón (silicato de zirconio: ZrSiO4) es un mineral accesorio de pequeño tamaño que cristaliza a partir de magmas procedentes del manto superior o de la base de la corteza terrestre, por lo que es un mineral muy común en rocas ígneas, como el granito. Además, el circón es durísimo y resiste altas temperaturas, presiones y procesos geológicos como el metamorfismo o la erosión, lo que le permite conservar su firma isotópica incluso después de miles de millones de años.
El Zircón como Reloj Geológico: La Datación Uranio-Plomo
A finales de febrero de 1896, el químico Henri Becquerel realizó un experimento curioso: colocó un paquete de sales de uranio junto a una placa fotográfica envuelta en papel negro y las guardó en el cajón de un escritorio. Días después, descubrió que las sales habían dejado unas manchas borrosas en la placa, como si algún tipo de rayo invisible capaz de atravesar los objetos hubiera dejado su huella. En junio de 1903, Marie defendió su tesis doctoral titulada: Investigaciones sobre sustancias radiactivas, en la que demostraba que ciertos elementos, como el uranio, emiten energía de forma constante. Apenas un año después, el físico Ernest Rutherford descubrió que los elementos químicos radiactivos se transforman en otros a lo largo del tiempo: el uranio (U), por ejemplo, se convierte lentamente en plomo (Pb). Esta transformación, denominada desintegración radiactiva, ocurre a velocidad constante y predecible. Rutherford sugirió al químico Bertram Boltwood una idea revolucionaria: la posibilidad de usar esta descomposición radiactiva para calcular la edad de una roca midiendo la proporción de los dos elementos presentes en ella. En 1907, Boltwood aplicó por primera vez este principio al binomio uranio-plomo en una serie de muestras de rocas y estimó que algunas de ellas podían tener hasta 2.200 millones de años de antigüedad.
En los elementos químicos, el número de protones define su identidad; el número de neutrones, en cambio, puede variar. Hoy sabemos que muchos elementos químicos poseen isótopos, es decir: variantes de un mismo elemento que difieren en el número de neutrones presentes en el núcleo. El binomio uranio-plomo es ideal para datar rocas antiguas debido a su larga vida media. A su director de tesis, el geoquímico Harrison Brown, se le ocurrió la idea de que, en lugar de centrarse en medir la cantidad de uranio presente en una roca antigua, sería más sencillo detectar la presencia de isótopos de plomo acumulado como producto de su desintegración. Esta técnica, conocida hoy como método de acumulación o datación plomo-plomo, permitió abordar el problema desde una nueva perspectiva, evitando errores debido a la pérdida o ganancia de uranio. Patterson asumió acertadamente que los planetas se formaron como resultado de un proceso de acreción de partículas a partir de una nebulosa de gas y de polvo, y que los meteoritos que en la actualidad impactan contra la Tierra son los escombros supervivientes de aquel proceso. Aislar una suficiente cantidad de minerales presentes en meteoritos (rocas de origen extraterrestre y, por tanto, ya de por sí escasas), que contuvieran algo de uranio, pero sobre todo plomo, fue una tarea ardua. Además, debía asegurarse que estas muestras no estuvieran contaminadas por agentes externos, como el plomo procedente de la combustión de gasolina. Finalmente, en 1953, las muestras fueron analizadas con la ayuda de un (entonces novedoso) espectrómetro de masas, un instrumento que permite separar con mucha precisión los elementos que constituyen un mineral. Patterson calculó la edad de la Tierra en 4.550 millones de años, con un margen de error de más o menos unos 70 millones de años.
Durante su formación el zircón tiende a incorporar diversos elementos que reemplazan parcialmente el circonio (Zr) en su estructura cristalina, tales como uranio, torio, titanio y elementos de las tierras raras; pero rechaza fuertemente el plomo durante su crecimiento. Una vez cristalizado, retiene estos elementos, principalmente el uranio, del que puede llegar a tener entre 100 y 1000 ppm (partes por millón). Y puesto que rechazó el plomo durante la cristalización, cualquier plomo que aparezca posteriormente dentro de su estructura se debe exclusivamente a la desintegración radiactiva. Puede crecer (recristalizar) en rocas metamórficas en condiciones de alta presión y hasta 900 ºC de temperatura, permitiendo datar el evento (o los eventos) en el que volvió a integrar uranio en su estructura (que posteriormente volverá a transformarse en plomo). Cuando se forma un circón (cristaliza por debajo de los 900 ºC), el sistema uranio-plomo se reinicia. A medida que pasa el tiempo los isótopos de plomo creados por la descomposición radiactiva del uranio quedan atrapados y se concentran. Es muy raro que a lo largo de los miles de millones de años de la historia de la Tierra un circón no se vea alterado por cambios de presión y temperatura en su entorno. Cuando esto sucede, pueden escapar isótopos de plomo, por lo que las dataciones ya no caerán exactamente sobre la curva de concordia. Es decir, se abre y distorsiona el sistema isotópico. El circón sigue siendo el mineral insignia para la datación geocronológica, por su resistencia y fiabilidad. Sin embargo, los nuevos avances en la precisión de los métodos instrumentales y analíticos han permitido que, además del circón, actualmente se pueden datar otros minerales mediante el método uranio-plomo:
- Monacita (CePO4): rica en uranio y torio, y común en rocas metamórficas y graníticas.
- Xenotima (YPO4): similar a la monacita pero con itrio en lugar de cerio.
- Titanita (o esfena, CaTiSiO5): contiene uranio en cantidades moderadas, siendo más susceptible a pérdidas de Pb que el circón.
El Zircón como Trazador de Magmas: El Sistema Lu-Hf
En los últimos años, el entendimiento de la sistemática isotópica de Lu-Hf en zircones ha avanzado sustancialmente gracias a recientes adelantos en la espectrometría de masas y en técnicas de microanálisis como la ablación láser. Estos avances han permitido mejorar el conocimiento sobre el origen y evolución de la corteza y el manto. Especialmente, estos avances analíticos y la comprensión del sistema isotópico Lu-Hf han jugado un papel importante en estudiar la corteza continental, determinando las composiciones isotópicas de Hf en zircones para intentar descifrar la petrogénesis de granitoides. El zircón no solo es apropiado para el fechamiento U-Pb sino también para estudios isotópicos de hafnio, ya que posee altas concentraciones de este elemento y bajas relaciones de Lu/Hf (típicamente <0.001).
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Los isótopos de Hf se encuentran concentrados en la red cristalina del zircón, mientras que las tierras raras son mucho menos compatibles. Por lo tanto, las correcciones isotópicas de Hf debido al crecimiento radiogénico in situ son prácticamente insignificantes. En otras palabras, la composición isotópica de Hf en el zircón corresponde cercanamente a la relación isotópica inicial de 176Hf/177Hf heredada del magma al tiempo de su formación o crecimiento del zircón. Otra característica importante es que el zircón es un mineral altamente refractario con alto contenido de Hf y la metamictización y/o alteración posterior que podría afectarlo, generalmente, no tiene ningún efecto en los isótopos de hafnio debido a que es un elemento esencial en la estructura cristalina del zircón con una abundancia de ~5,000-20,000 ppm o valores más altos.
El hafnio funciona como un trazador isotópico en los procesos corticales y mantélicos y su sistemática en los zircones es relativamente inmune a eventos tectonotérmicos proporcionando valiosa información sobre edades de formación cortical para las fuentes de las rocas ígneas. Por lo tanto, la composición isotópica de Hf en zircones es una poderosa herramienta para caracterizar las fuentes de las rocas magmáticas y la proveniencia de sedimentos, incluso, han sido usadas para definir la composición y edad de formación de la corteza más antigua de la Tierra. El zircón proporciona un registro único de la historia petrogenética de las rocas graníticas que simplemente no es similar al obtenido a partir de técnicas de geoquímica convencional (e.g., elementos mayores y traza) e isotópica de roca total, como en el caso del Sm-Nd, ya que el sistema isotópico Lu-Hf en zircones tiene como ventaja una mayor resolución en comparación con el sistema isotópico Sm-Nd.
Reconstruyendo la Historia Magmática en el NW de México
En este trabajo se presentan datos isotópicos de Lu-Hf en zircones magmáticos de granitoides pérmicos asociados a subducción en el NW de Sonora, México. En este estudio reportamos las composiciones isotópicas de Hf obtenidas en zircones de granitoides pérmicos y cretácicos de la Sierra Pinta en el NW de México mediante microanálisis in situ realizados por la técnica de ablación láser (LA-MC-ICPMS). Utilizamos el Hf como un trazador isotópico para avanzar en el conocimiento de la petrogénesis de este importante pulso magmático pérmico asociado, tentativamente, al inicio de la subducción y formación del margen continental activo del SW de Norteamérica.
La Sierra Pinta se localiza en el NW del Estado de Sonora, México y representa geológica y espacialmente uno de los principales afloramientos de rocas graníticas de edad pérmica reportados en esa región. Este magmatismo pérmico asociado a subducción y al inicio de la convergencia a lo largo del margen continental activo del SW de Norteamérica es de vital importancia para entender la evolución tectónica del NW de México, ya que la ocurrencia de este magmatismo se asocia tentativamente a una zona de debilidad cortical definida por la ocurrencia de un basamento tipo Yavapai en el NW de Sonora.
El microanálisis in situ realizado por la técnica de LA-MC-ICPMS muestra amplias variaciones en las composiciones isotópicas de Hf en zircones de la misma edad en una misma muestra de granitoide (hasta 15 unidades épsilon Hf). El rango de valores de épsilon Hf inicial para estos granitoides va desde -9.0 hasta -24.9. Esta variación sugiere una mezcla de magmas derivados de la fusión de diversas fuentes corticales que originaron a los granitoides pérmicos. Nuestros datos isotópicos de Hf revelan una amplia variación en las composiciones isotópicas de Hf en zircones de edad similar en una misma roca. De acuerdo a esto, los datos obtenidos sugieren que estas variaciones podrían deberse a procesos de mezcla de magmas, evaluando además la posibilidad de la participación de múltiples fuentes de fusión corticales para la generación de los magmas precursores de estos granitoides pérmicos presentes en el NW de México.
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Las edades modelo corticales de Hf para estos granitoides varían de 1.59 a 2.39 Ga, predominando el rango de 1.6-1.8 Ga, sugiriendo la fusión del basamento proterozoico que aflora en el noroeste de México para la formación de los granitoides pérmicos. Las relaciones isotópicas de Hf obtenidas ilustran la complejidad de los procesos de formación de magmas en la corteza continental. Nuestra hipótesis para la generación de magmas desde el Proterozoico al reciente en el NW de México establece que inicialmente el manto contribuyó de manera importante en la formación de magmatismo paleoproterozoico. Posteriormente, desde el Mesoproterozoico hasta el Pérmico la corteza ha jugado un papel significativo en la generación de magmas. Durante el Mesozoico la participación cortical se reduce y en el Cenozoico, y más aún en el Cuaternario, la contribución del manto se incrementa y es muy significativa, terminando con magmatismo astenosférico basáltico (e.g., El Pinacate). En general, las características geoquímicas del magmatismo pérmico en la Sierra Pinta, detalladas en Arvizu et al. (2009a), indican una firma geoquímica de granitoides calcoalcalinos con alto potasio y de carácter peraluminoso a metaluminoso formados en un ambiente de arco volcánico continental revelando la existencia de un aporte cortical significativo para su formación.
Desafíos en la Interpretación del Origen del Zircón: El Criterio Th/U
La interpretación de la edad de un circón no es siempre sencilla, especialmente si la roca que lo contiene sufrió en algún momento de su historia un evento de alta temperatura. Así, no es raro encontrar circones con texturas que muestran recrecimientos cuyas edades son significativamente diferentes de las del núcleo del circón. Uno de los criterios más usados para distinguir si el origen del circón o de sus recrecimientos es magmático (cristalizó a partir de roca fundida), metamórfico (recristalizado en estado sólido) o hidrotermal (recrecimientos debidos a interacciones entre el mineral y fluidos) es el contenido en torio (Th) y uranio (U). Así, si la tasa de Th/U presenta un valor menor que 0,1 se trataría de un circón o recrecimiento de origen metamórfico, mientras que si el valor es mayor el origen sería magmático, y circones con tasas de Th/U muy bajas (<0,02) estarían asociados a interacciones entre el mineral y fluidos. Se ha afirmado que si la relación torio/uranio es menor que 0,1 se trataría de circones recalentados.
Este criterio ha sido objeto de críticas recientemente y en este trabajo se muestra de manera inequívoca que no es válido, lo que pone de manifiesto la necesidad de tener en cuenta otros criterios para determinar el origen de los circones. Recientemente algunos autores han cuestionado la fiabilidad de este criterio. Así, varios trabajos en la década pasada encontraron que los circones de origen metamórfico presentan una variabilidad mucho mayor de lo que se estimaba previamente, incluyendo en algunos casos valores de Th/U superiores a 0,1.
El objeto de este trabajo fue el estudio de los circones que muestra el granito de San Ciprián, situado en la costa norte de Lugo. Los núcleos presentan edades más antiguas al Cámbrico, agrupándose mayoritariamente alrededor de los 580 millones de años (Ma) (Ediacariense), y valores de Th/U típicos de rocas magmáticas (> 0,1). Por el contrario, los bordes oscuros muestran edades en torno a los 287 Ma (Pérmico) y valores de Th/U típicos de circones metamórficos (< 0,1). En cambio, está bien establecido que el granito de San Ciprián se formó posteriormente al Cámbrico puesto que corta rocas sedimentarias de edad cámbrica, lo que indicaría que su edad no puede ser anterior al Cámbrico. En este contexto, la única interpretación posible es que los núcleos de los circones contenidos en el granito de San Ciprián son circones heredados de rocas preexistentes que se estaban fundiendo al formarse el granito en un nivel de la corteza terrestre más profundo del que se situó al cristalizar. Durante la cristalización del magma que dio origen al granito de San Ciprián se formaron sobre los circones previos los bordes con un valor de Th/U anómalo y, además, circones completamente nuevos de edad pérmica. Este estudio presenta por tanto un ejemplo poco común pero inequívoco de bordes de circón de origen magmático con valores de Th/U típicos de circones metamórficos (< 0,1).
Métodos Analíticos Avanzados
En este estudio reportamos las composiciones isotópicas de Hf obtenidas en zircones de granitoides pérmicos y cretácicos de la Sierra Pinta en el NW de México mediante microanálisis in situ realizados por la técnica de ablación láser (LA-MC-ICPMS). El microanálisis in situ realizado por la técnica de LA-MC-ICPMS muestra amplias variaciones en las composiciones isotópicas de Hf en zircones de la misma edad en una misma muestra de granitoide. Para cada muestra se seleccionaron, cuidadosamente a partir de imágenes de microscopia óptica y de cátodoluminiscencia-SEM, de doce a catorce granos de zircón para su análisis. El número de granos fue limitado ya que cada zircón debe mostrar una morfología cristalina externa característica y tener un tamaño suficientemente grande para acomodar por lo menos dos puntos analíticos de ablación, uno para el fechamiento U-Pb (~30 µm) y otro para el análisis isotópico Lu-Hf (~60 µm).
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El espectrómetro de masas de plasma acoplado inductivamente y ablación láser (LA-ICP-MS, siglas de Laser Ablation Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer). Estas técnicas permiten estudiar con gran precisión partes muy concretas de un cristal, vaporizan los átomos de uranio y plomo que surgen de un punto seleccionado.