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EL MÉTODO Sm-Nd. Sm-Nd Nd (Z=60) Son elementos del grupo IIIB de la tabla periódica de los elementos. Neodimio y Samario pertenecen a las tierras raras.

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1 EL MÉTODO Sm-Nd

2 Sm-Nd Nd (Z=60) Son elementos del grupo IIIB de la tabla periódica de los elementos. Neodimio y Samario pertenecen a las tierras raras medias (MREE). Radio iónico: Nd 3+ : 1.08°A Sm 3+ : 1.04°A Sm (Z=62)

3 Tabla periódica de los elementos. En rojo se observan los elementos Nd y Sm, en gris el resto de las tierras raras (REE). (White, 2003).

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6 La abundancia de Nd en el sistema solar es de 8.36x10 -1 átomos de Nd por 10 6 átomos de Si. La abundancia de Sm es 2.61x10 -1 átomos de Nd por 10 6 átomos de Si. La relación de Sm a Nd en rocas terrestres y minerales varía solamente de 0.1 a 0.5 debido a que la similitud en sus propiedades geoquímicas inhibe la separación más extensa de Nd del Sm por procesos geológicos.

7 Las concentraciones de Sm y Nd en los minerales silicatados formadores de rocas aumentan en la secuencia; en la cual, éstos cristalizan a partir del magma de acuerdo a la serie de reacción de Bowen.

8 Este incremento se visualiza en la serie que consiste de olivino, piroxeno (augita), anfíbol, y biotita. En los feldespatos varía de plagioclasa a feldespato de potasio. Los fosfatos apatito y monacita tienen las concentraciones más altas de Sm y Nd.

9 La proporción Sm/Nd de la mayoría de los minerales varía de 0.37 (piroxeno) a 0.15 (feldespatos de K). Granate tiene una relación Sm/Nd alta (0.54) y (a veces) bajas concentraciones de Sm y Nd. Granate y piroxeno son minerales que se utilizan con preferencia para fechamientos con el método Sm-Nd.

10 La concentración de Sm y Nd en las rocas ígneas aumenta con el incremento del grado de diferenciación

11 Las rocas típicas corticales tienen proporciones Sm/Nd menores que las rocas derivadas del manto superior, tales como las toleitas.

12 Cuando los líquidos silicatados se forman por fusión parcial de las rocas en el manto o en la corteza de la tierra, la fase líquida es enriquecida en Nd respecto a Sm (Nd > Sm: Sm/Nd = baja). La razón es que Nd 3+ tiene un radio iónico poco más grande que Sm 3+ lo que le da un potencial iónico (carga/radio) más bajo que Sm 3+. Por lo tanto, forma enlaces iónicos más débiles que se rompen más fácil que los de Sm.

13 Concentraciones de Sm y Nd en rocas y minerales

14 Concentraciones de Sm-Nd en rocas y minerales más importantes.

15 87 Rb 87 Sr 143 Nd 147Sm Corteza Manto 87 Sr/ 86 Sr > Sr/ 86 Sr < Nd/ 144 Nd < Nd/ 144 Nd > Radio iónico grande prefiere la corteza Radio iónico pequeño prefiere el manto

16 Sm 20 isótopos inestables 7 isótopos estables Nd 19 isótopos inestables 7 isótopos estables Isótopos de Sm y Nd

17 Isótopos de Samario Nones son más abundantes que los pares (excepción a la regla!) Masas más grandes tienen mayor abundancia e isótopos nones no se presentan 147 Sm (radiactivo)

18 Isótopos de Neodimio 143 Nd (radiogénico) Isótopos pares son más abundantes que los nones Masas menores tienen mayor abundancia

19 147 Sm 143 Nd t 1/2 = 1.06x10 11 a ±0.01 = 6.54x a Sm 144 Nd t 1/2 = 7x10 15 a 149 Sm 145 Nd t 1/2 = 1x10 16 a Decaimiento(s)

20 144 Nd 140 Ce t 1/2 = 2.1x10 15 a La abundancia del 144 Nd disminuyó en 4.5 Ga solamente % 150 Gd 146 Sm 142 Nd 1.8 x 10 6 a 1 x 10 8 a inestable

21 Variación de la vida media de 147 Sm a través del año de publicación

22 143 Nd 144 Nd = ( 143 Nd 144 Nd ) i Sm 144 Nd ( e t - 1 ) El decaimiento de 147 Sm y el aumento de 143 Nd radiogénico se describe por la siguiente ecuación:

23 t = 143 Nd 144 Nd med Nd 144 Nd i Sm 144 Nd 1 Ecuación de la edad para el método Sm-Nd ( ) = 6.54x a -1 Para trazadores se utilizan: 149 Sm c/90% de pureza 145 Nd c/92% de pureza t 1/2 = 1.06x10 11 a -1 med. ln

24 Relación isótopica inicial de 143 Nd/ 144 Nd 143 Nd 144 Nd inic. = 143 Nd 144 Nd med Sm 144 Nd ( e t - 1 ) * * Calculado a partir de la concentración y abundancias.

25 EJEMPLOS La petrogénesis de rocas volcánicas pertenecientes a los cinturones verdes es importante ya que: Representan la fuente primaria de lavas máficas de edad Arqueana. El origen de las lavas ultramáficas, llamadas komatitas, las cuales ocurren en cinturones verdes es importante porque son magmas de alta temperatura, y su existencia en terrenos Arqueanos ha dado lugar a la hipótesis de que la temperatura del manto superior en el periodo Arqueano fue considerablemente más alta que la del manto moderno.

26 APLICACIONES: Rocas máficas y sus minerales Rocas más antiguas que Ma. El Sm-Nd es más estable que Rb-Sr en el caso de metamorfismo Rocas lunares y condritas

27 Edades de metamorfismo de alto grado en anfibolitas hasta facies granulíticas. Fechamientos de granate, hornblenda, piroxeno, plagioclasa, ilmenita y apatito. Basaltos, komatiítas, anortositas, peridotitas, andesitas, dioritas y monzonitas.

28 Sm-Nd es aplicable a rocas máficas y ultramáficas, mientras que Rb-Sr es más aplicable a rocas félsicas e intermedias. Las REE son menos móviles que los metales alcalinos y los alcalino-térreos durante el metamorfismo regional, alteración hidrotermal e intemperismo químico. Las rocas pueden ser fechadas confiablemente por Sm-Nd a pesar de que puedan haber ganado o perdido Rb y Sr.

29 87 Rb 87 Sr 143 Nd 147Sm Corteza Manto 87 Sr/ 86 Sr > Sr/ 86 Sr < Nd/ 144 Nd < Nd/ 144 Nd > Radio iónico grande prefiere la corteza Radio iónico pequeño prefiere el manto

30 Aplicación en rocas antiguas Basaltos de Rhodesia Isocrona de roca total afectada por metamorfismo de baja temperatura. No era posible fechar con Rb-Sr debido a que durante el metamorfismo hubo una redistribución de Rb y Sr.

31 Gabro de la intrusión de Stillwater, Montana. Fechamiento de minerales Opx, Cpx, Plg, y roca total. Roca total: suma de todos los minerales. Edad: 2,701± 8 Ma 143 Nd/ 144 Nd i : ± 12. Se obtuvo la edad de la intrusión. Rb-Sr: 2, 200 Ma (De Paolo).

32 Comparación de edades obtenidas en la misma roca o formación por diferentes métodos.

33 APLICACIONES EN MEXICO XENOLITOS DEL MANTO EN SLP (PERIDOTITAS). XENOLITOS DE LA BASE DE LA CORTEZA EN SLP (GRANULITAS).

34 Schaaf et al., Chem.Geol., 1994

35 Xenolitos de la corteza inferior de SLP

36 Procesos que provocan una adición o una pérdida de Sm y/o Nd influyen en el sistema: Anfibolitización o la formación de granates secundarios Granulitas de SLP tienen una edad de 1,315±85Ma 143 Nd/ 144 Nd inicial: ± 17

37 Con base en este estudio se puede decir que el centro de México tiene un basamento Grenviliano. La interpretación de los granates es que posiblemente son producto secundario, ya que el granate no existe como mineral primario en la corteza superior. Las coronas de reacción son producto de alteración por fluidos.

38 Evolución isotópica del Nd

39 La evolución isotópica del Nd La evolución isotópica del Nd en la tierra está descrita o referida a un modelo llamado CHUR (CHONDRITIC UNIFORM RESERVOIR; De Paolo y Wasserburg, 1976). Este modelo supone que el Nd terrestre evolucionó a partir de un almacén o reservorio uniforme, que tiene una relación de Sm/Nd igual que los meteoritos condríticos.

40 De 4.6 Ga hasta hoy, la abundancia del 143 Nd radiogénico ha aumentado, y por lo tanto la relación 143 Nd/ 144 Nd de la tierra ha incrementado con el tiempo, debido al decaimiento de 147 Sm a 143 Nd. Debido a que el Nd es más incompatible que Sm, este se concentra más en la corteza que Sm, de aquí que la corteza tiene la relación 147 Sm/ 144 Nd más baja y el manto tiene una relación 147 Sm/ 144 Nd más alta.

41 Con el tiempo esto conduce a una baja relación 143 Nd/ 144 Nd en la corteza (formada hace 3.5 Ga) y a una alta relación 143 Nd/ 144 Nd en el manto.

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43 Tiempo en Ga Evolución isotópica del Nd en el manto y en la corteza. Línea más negra muestra la evolución de la tierra total o del CHUR. También se muestra la evolución de la corteza creada hace 3.5 Ga, el manto residual y la evolución de un manto continuamente empobrecido Inicio de la separación del manto en manto superior (empobrecido) y manto inferior

44 Tiempo en Ga Evolución de la tierra total, corteza, y manto. 143 Nd/ 144 Nd es transformado a Nd. Nd=0 Sugiere que las rocas se formaron a partir de un almacén con un patrón condrítico, el cual puede representar material primario remanente desde la formación de la tierra. Bajo Sm/Nd Alto Sm/Nd

45 Nd= El parámetro -Nd 143 Nd 144 Nd M 143 Nd 144 Nd CHUR - 1 x Nd 144 Nd = Sm 144 Nd = (Lugmair, 1974) = (Faure, 1986) CHUR

46 Nd i = El parámetro -Nd inicial 143 Nd 144 Nd 143 Nd 144 Nd CHURi - 1 x Nd 144 Nd = Sm 144 Nd = (Lugmair, 1974) = (Faure, 1986) Muestra in CHUR

47 Nd Es una notación en la que la relación isotópica 143 Nd/ 144 Nd inicial se representa como una desviación relativa en partes por 10,000 del parámetro CHUR. El parámetro Nd no depende de diferentes valores ( 146 Nd/ 144 Nd o 146 Nd/ 142 Nd) para la corrección por fraccionamiento (resultando en diferentes valores para 143 Nd/ 144 Nd en la misma muestra). Las variaciones pequeñas de 143 Nd/ 144 Nd (cambios solamente a partir del cuarto dígito) se reflejan mejor usando Nd.

48 Nd >0 indica que el Nd de la roca se derivó de un almacén (fuente empobrecida) con una relación Sm/Nd mayor que la relación condrítica (CHUR). Nd <0 indica que el Nd de la roca se derivó de un almacen (fuente enriquecida; córtical) con una relación Sm/Nd más baja que CHUR.

49 Lherzolita de espinela MORB OIB Plagio-Granitos (granodioritas) Granitos I Granitos S Variaciones de Nd

50 EDADES MODELO

51 La edades modelo representan la edad de diferenciación o la edad de separación del Nd del reservorio (DM/CHUR). También representan el tiempo promedio de residencia en la corteza.

52 Las edades modelo representan el tiempo transcurrido desde que la relación 143 Nd/ 144 Nd de la roca era igual a la relación 143 Nd/ 144 Nd del CHUR o bien del DM. Estas edades son válidas siempre que la relación Sm/Nd de la roca no haya sido alterada por procesos geológicos en la corteza.

53 t Nd = 143 Nd 144 Nd m Nd 144 Nd CHUR/DM Sm 144 Nd 1 ( ) m Sm 144 Nd CHUR/DM DM: Tiene varios parámetros Edad modelo ln

54 Parámetros del manto empobrecido (DM) Goldstein et al., Ga Michard et al., Ga Liew & Hoffman, Ga Schaaf et al., 1990 (SLP- Mex) Ga 143 Nd/ 144 Nd 147 Sm/ 144 Nd TNd CHUR

55 Cálculo de edades modelo: Edad de residencia de los magmas en la corteza.

56 Las edades modelo de las rocas clásticas sedimentarias (p. ej. lutitas), son similares a las edades de las rocas de las cuales se derivaron estos detritos (ígneas o metamórficas); por esta razón, las edades Sm- Nd comúnmente exceden su edad estratigráfica. Edades modelo en rocas sedimentarias

57 Las edades de residencia de las rocas sedimentarias del proterozoico (2, Ma) son generalmente mayores a su edad de depositación, lo que nos indica que estos detritos están compuestos principalmente de material cortical reciclado que se separó del CHUR mucho tiempo antes de que se depositara como sedimento.

58 Las edades modelo generalmente son interpretadas como edades de residencia cortical, que generalmente exceden las edades estratigráficas de rocas sedimentarias formadas después de 2 Ga. Antes de esta edad, las edades de residencia presentan una correspondencia con las edades estratigráficas, debido a que las rocas sedimentarias de edad Precámbrico temprano estuvieron compuestas de material que se derivó de un almacén condrítico en el manto, solo poco tiempo antes de su depositación.

59 La diferencia entre las edades de residencia y la edad de depositación disminuye cuando detritos jóvenes de origen volcánico se mezclan con terrígenos de rocas antiguas. *

60 MODELOS DE LA TIERRA BASADOS EN DATOS ISOTÓPICOS DE BASALTOS.

61 Modelo terrestre basado en datos isotópicos obtenidos en basaltos.

62 La composición isotópica del manto empobrecido puede cambiar por transferencia de material de la corteza o del manto inferior primitivo.

63 La composición isotópica de Sr y Nd en sedimentos oceánicos varía regionalmente entre los mayores oceános del mundo porque esta depende de la edad y de las relaciones Sm/Nd de las rocas que los ríos drenan hasta sus cuencas. Sedimentos de la cuenca del Pacífico tienen relaciones isotópicas de 143 Nd/ 144 Nd mayores y menores de 87 Sr/ 86 Sr comparados con valores del Océano Atlántico. Ríos que drenan hacia el Pacífico están erosionando corteza continental joven comparada con la que están erosionando los ríos que drenan el Atlántico.

64 Sumario Sm- Nd pertenecen a las tierras raras. Las rocas ultramáficas y máficas tienen una relación Sm/Nd más alta que las rocas intermedias y félsicas. Los fechamientos por Sm-Nd son apropiados debido a que Sm y Nd son menos suceptibles al intemperismo, alteración hidrotermal, etc. comparados con Rb y Sr.

65 Sumario La evolución isotópica del Nd en la tierra está descrita o referida a un modelo llamado CHUR (CHONDRITIC UNIFORM RESERVOIR; De Paolo y Wasserburg, 1976). Este modelo supone que el Nd terrestre evolucionó a partir de un almacén o reservorio uniforme, que tiene una relación de Sm/Nd igual que los meteoritos condríticos.

66 Sumario Nd >0 indica que la roca (Nd) se derivó de un almacén (fuente empobrecida) con una relación Sm/Nd mayor que la relación condrítica (CHUR). Valores negativos indican que el Nd proviene de una fuente enriquecida, la cual tiene una relación Sm/Nd más baja que el CHUR.

67 Las edades modelo representan el tiempo transcurrido desde que el Nd en una muestra de roca tuvo la misma composición isotópica que el CHUR. La validez de esta edad depende de la premisa de que la relación Sm/Nd no fue alterada por procesos geológicos en la corteza. Las edades modelo pueden ser interpretadas como estimaciones válidas de tiempo de residencia.

68 Aplicación de Sr-Nd combinados

69 Los cuatro cuadrantes del diagrama Sr-Nd Factor de enriquecimiento: parámetro f f Sm = ( 147 Sm/ 144 Nd) ( 147 Sm/ 144 Nd) CHUR - 1 f Rb = ( 87 Rb/ 86 Sr) ( 87 Rb/ 86 Sr) UR - 1

70 Cuadrante I: f Sm >0, fRb>0. Estas rocas son originadas en fuentes donde Sm/Nd y Rb/Sr son más grandes que sus respectivos valores del CHUR y UR (muy raro). Cuadrante II: Contiene el arreglo del manto. Las fuentes de este cuadrante contienen relaciones Sm/Nd >CHUR (fSm > 0) y relaciones Rb/Sr más bajas que el UR (fRb<0).

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72 Cuadrante III: fSm <0, fRb <0 En escocia existen basaltos provenientes del manto que están contaminados con granulitas con bajo Nd y bajo 87 Sr/ 86 Sr. Se ha calculado hasta 50% de contaminación Cuadrante IV: Enriquecido en Rb (fRb >0) y empobrecido en Sm (fSm<0). Generalmente rocas de la corteza continental.

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75 El arreglo del manto

76 Magmatismo de Arco Continental Figure Map of western South America showing the plate tectonic framework, and the distribution of volcanics and crustal types. NVZ, CVZ, and SVZ are the northern, central, and southern volcanic zones. After Thorpe and Francis (1979) Tectonophys., 57, ; Thorpe et al. (1982) In R. S. Thorpe (ed.), (1982). Andesites. Orogenic Andesites and Related Rocks. John Wiley & Sons. New York, pp ; and Harmon et al. (1984) J. Geol. Soc. London, 141, Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.

77 Magmatismo de Arco Continental Figure Sr vs. Nd isotopic ratios for the three zones of the Andes. Data from James et al. (1976), Hawkesworth et al. (1979), James (1982), Harmon et al. (1984), Frey et al. (1984), Thorpe et al. (1984), Hickey et al. (1986), Hildreth and Moorbath (1988), Geist (pers. comm), Davidson (pers. comm.), Wörner et al. (1988), Walker et al. (1991), deSilva (1991), Kay et al. (1991), Davidson and deSilva (1992). Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.

78 87 Sr/ 86 Sr 143 Nd/ 144 Nd Variaciones isotópicas de Sr y Nd en rocas de arcos volcánicos

79 Variaciones de 143 Nd/ 144 Nd En MORB, OIB y CVA

80 Modelos de mezcla

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82 Mezcla binaria

83 Hipérbolas de mezcla formadas por la combinación de rocas de la corteza continental con basaltos toleíticos en proporciones variables.

84 Relaciones isotópicas de Nd y Sr en rocas graníticas de la corteza continental.

85 Composiciones isotópicas de Sr y Nd de rocas graníticas de la Sierra Nevada y Sierras peninsulares de California. La curva representa mezclas de esquistos precámbricos, dentro de los cuales el batolito de la Sierra Nevada fue intrusionado, con una cuarzo diorita.

86 Valores de Nd y Sr de rocas graníticas y xenolitos de los batolitos de Berridale y Kosciusko del sureste de Australia. Los granitos tipo S y tipo I comparten la misma línea de mezcla indicando que ambos son mezcla de dos componentes derivados de un manto empobrecido y de la corteza continental.

87 Aplicaciones de los isotópos de Sr-Nd en México

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89 CVM Cinturón Volcánico Mexicano

90 Volcán de Colima y su relación con rocas corticales, sedimentos y basaltos tipo MORB MORB

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93 Nevado de Toluca Martínez-Serrano et al., 2004 Rocas derivadas de una fuente tipo MORB, afectadas por una ligera contaminación con material cortical de edad Grenviliana (1.3 Ga).

94 Volcán Popocatépetl Schaaf et al., 2005 Datos químicos e isotópicos sugieren el almacenamiento de los magmas del Volcán Popocatépetl en una corteza compuesta por calizas de edad Cretácica.

95 Schaaf et al., 2005 Comparación de datos del Volcán Nevado de Toluca y los xenolitos encontrados en las lavas del volcán Popocatépetl.

96 Schaaf et al., Sr/ 86 Sr Arreglo del manto


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