EL MÉTODO Sm-Nd

Sm-Nd Nd (Z=60) Sm (Z=62) Son elementos del grupo IIIB de la tabla periódica de los elementos. Neodimio y Samario pertenecen a las tierras raras medias (MREE). Radio iónico: Nd3+: 1.08°A Sm3+: 1.04°A

Tabla periódica de los elementos 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).

La abundancia de Sm es 2.61x10-1 átomos de Nd por 106 átomos de Si. La abundancia de Nd en el sistema solar es de 8.36x10-1 átomos de Nd por 106 átomos de Si. La abundancia de Sm es 2.61x10-1 átomos de Nd por 106 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.

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.

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.

La proporción Sm/Nd de la mayoría de los minerales varía de 0 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.

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

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

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 Nd3+ tiene un radio iónico poco más grande que Sm3+ lo que le da un potencial iónico (carga/radio) más bajo que Sm3+. Por lo tanto, forma enlaces iónicos más débiles que se rompen más fácil que los de Sm.

Concentraciones de Sm y Nd en rocas y minerales

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

Radio iónico grande prefiere la corteza 87Rb 87Sr 143Nd 147Sm Corteza Manto 87Sr/86Sr > 0.7045 < 0.7045 143Nd/144Nd <0.512638 >0.512638 Radio iónico grande prefiere la corteza Radio iónico pequeño prefiere el manto

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

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

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

a a a Decaimiento(s) 147Sm 143Nd t1/2= 1.06x1011 a ±0.01 l= 6.54x10-12 a-1 148Sm 144Nd t1/2= 7x1015 a 149Sm 145Nd t1/2= 1x1016 a a a

144Nd 140Ce t1/2= 2.1x1015a La abundancia del 144Nd disminuyó en 4.5 Ga solamente 0.00015% 150Gd 146Sm 142Nd a 1.8 x 106 a 1 x 108 a inestable inestable

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

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

) i med. med. t = Ecuación de la edad para el método Sm-Nd ( 143Nd ln + 1 l 147Sm med. 144Nd Para trazadores se utilizan: 149Sm c/90% de pureza 145Nd c/92% de pureza l = 6.54x10-12 a-1 t 1/2 = 1.06x1011 a-1

( ) e lt inic. med. Relación isótopica inicial de 143Nd/144Nd * 147Sm = med. - 147Sm ( e lt - 1 ) * * Calculado a partir de la concentración y abundancias.

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.

Rocas máficas y sus minerales Rocas más antiguas que 500-600 Ma. APLICACIONES: Rocas máficas y sus minerales Rocas más antiguas que 500-600 Ma. El Sm-Nd es más estable que Rb-Sr en el caso de metamorfismo Rocas lunares y condritas

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.

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.

Radio iónico grande prefiere la corteza 87Rb 87Sr 143Nd 147Sm Corteza Manto 87Sr/86Sr > 0.7045 < 0.7045 143Nd/144Nd <0.512638 >0.512638 Radio iónico grande prefiere la corteza Radio iónico pequeño prefiere el manto

Aplicación en rocas antiguas Basaltos de Rhodesia Aplicación en rocas antiguas 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.

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 143Nd/144Ndi: 0.508248 ± 12. Se obtuvo la edad de la intrusión. Rb-Sr: 2, 200 Ma (De Paolo).

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

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

Schaaf et al., Chem.Geol., 1994

Xenolitos de la corteza inferior de SLP

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 143Nd/144Nd inicial: 0.51107 ± 17

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.

Evolución isotópica del Nd

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.

De 4.6 Ga hasta hoy, la abundancia del 143Nd radiogénico ha aumentado, y por lo tanto la relación 143Nd/144Nd de la tierra ha incrementado con el tiempo, debido al decaimiento de 147Sm a 143Nd. 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 147Sm/144Nd más baja y el manto tiene una relación 147Sm/144Nd más alta.

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

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 Tiempo en Ga

eNd=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. Alto Sm/Nd Bajo Sm/Nd Tiempo en Ga Evolución de la tierra total, corteza, y manto. 143Nd/144Nd es transformado a eNd.

- El parámetro e-Nd M CHUR 143Nd 144Nd 1 x 104 eNd= 143Nd 144Nd CHUR = 0.512638 144Nd 147Sm = 0.1936 (Lugmair, 1974) 144Nd = 0.1967 (Faure, 1986)

- El parámetro e-Nd inicial CHURi 143Nd 144Nd 1 x 104 eNdi= 143Nd Muestra in 1 x 104 eNdi= 143Nd 144Nd CHURi 143Nd CHUR = 0.512638 144Nd 147Sm = 0.1936 (Lugmair, 1974) 144Nd = 0.1967 (Faure, 1986)

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

eNd >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). eNd <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.

Variaciones de e Nd Lherzolita de espinela +9.5 - +7 MORB +10 - +5 OIB +9.5 - +7 MORB +10 - +5 OIB +8 - +4 Plagio-Granitos (granodioritas) +6 - +3 Granitos I +3 - -6 Granitos S -6 - -30

EDADES MODELO

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.

Las edades modelo representan el tiempo transcurrido desde que la relación 143Nd/144Nd de la roca era igual a la relación 143Nd/144Nd 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.

) ( Edad modelo m m tNd = CHUR/DM ln CHUR/DM 143Nd 143Nd - 144Nd 1 + 1 l 147Sm 147Sm - m 144Nd CHUR/DM 144Nd DM: Tiene varios parámetros

Parámetros del manto empobrecido (DM) Goldstein et al., 1984 0.51316 TNd CHUR 143Nd/144Nd 147Sm/144Nd Goldstein et al., 1984 0.51316 0.214 3.86 Ga Michard et al., 1985 0.513114 0.222 2.5 Ga Liew & Hoffman, 1988 0.513151 0.219 3.1 Ga Schaaf et al., 1990 (SLP-Mex) 0.513089 0.2128 3.56 Ga

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

Edades modelo en rocas sedimentarias 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.

Las edades de residencia de las rocas sedimentarias del proterozoico (2,500-570 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.

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.

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. *

MODELOS DE LA TIERRA BASADOS EN DATOS ISOTÓPICOS DE BASALTOS.

Modelo terrestre basado en datos isotópicos obtenidos en basaltos.

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

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 143Nd/144Nd mayores y menores de 87Sr/86Sr 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.

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.

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.

Sumario eNd >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.

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.

Aplicación de Sr-Nd combinados

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

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).

Cuadrante III: fSm <0, fRb <0 En escocia existen basaltos provenientes del manto que están contaminados con granulitas con bajo eNd y bajo 87Sr/86Sr. 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.

El arreglo del manto

Magmatismo de Arco Continental Figure 17-1. 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, 53-70; Thorpe et al. (1982) In R. S. Thorpe (ed.), (1982). Andesites. Orogenic Andesites and Related Rocks. John Wiley & Sons. New York, pp. 188-205; and Harmon et al. (1984) J. Geol. Soc. London, 141, 803-822. Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.

Magmatismo de Arco Continental Figure 17-6. 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.

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

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

Modelos de mezcla

Mezcla binaria

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

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

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.

Valores de eNd y eSr 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.

Aplicaciones de los isotópos de Sr-Nd en México

Cinturón Volcánico Mexicano CVM

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

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

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

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

Arreglo del manto 87Sr/86Sr Schaaf et al., 2001