Datación uranio-plomo

La datación uranio-plomo , abreviada como datación U-Pb , es uno de los esquemas de datación radiométrica más antiguos ^[1] y más refinados . Puede utilizarse para datar rocas que se formaron y cristalizaron hace entre 1 millón de años y más de 4500 millones de años con una precisión habitual del orden del 0,1 al 1 por ciento. ^{[2] [3]}

El método se aplica generalmente al circón . Este mineral incorpora átomos de uranio y torio en su estructura cristalina , pero rechaza fuertemente el plomo durante su formación. Como resultado, los cristales de circón recién formados no contendrán plomo, lo que significa que cualquier plomo que se encuentre en el mineral es radiogénico . Dado que se conoce la velocidad exacta a la que el uranio se desintegra en plomo, la relación actual de plomo a uranio en una muestra del mineral se puede utilizar para determinar de manera confiable su edad.

El método se basa en dos cadenas de desintegración separadas : la serie del uranio de ²³⁸ U a ²⁰⁶ Pb, con una vida media de 4.470 millones de años, y la serie del actinio de ²³⁵ U a ²⁰⁷ Pb, con una vida media de 710 millones de años.

El uranio se desintegra en plomo a través de una serie de desintegraciones alfa y beta , en las que ^{el 238} U y sus nucleidos hijos experimentan un total de ocho desintegraciones alfa y seis beta, mientras que ^{el 235} U y sus hijos solo experimentan siete desintegraciones alfa y cuatro beta. ^[4]

La existencia de dos rutas de desintegración "paralelas" del uranio-plomo ( ²³⁸ U a ²⁰⁶ Pb y ²³⁵ U a ²⁰⁷ Pb) permite la posibilidad de utilizar múltiples técnicas de datación dentro del sistema U-Pb en su conjunto. El término datación U-Pb normalmente implica el uso combinado de ambos esquemas de desintegración en el "diagrama de Concordia" (véase más abajo).

Sin embargo, el uso de un único esquema de desintegración (normalmente ²³⁸ U a ²⁰⁶ Pb) conduce al método de datación isócrona U-Pb, análogo al método de datación rubidio-estroncio .

Por último, las edades también se pueden determinar a partir del sistema U-Pb mediante el análisis de las proporciones de isótopos de Pb únicamente. Este método se denomina " método de datación plomo-plomo" . Clair Cameron Patterson , un geoquímico estadounidense que fue pionero en los estudios de métodos de datación radiométrica de uranio-plomo, lo utilizó para obtener una de las primeras estimaciones de la edad de la Tierra en 1956, que fue de 4.550 Gy ± 70 My; una cifra que ha permanecido prácticamente indiscutida desde entonces.

Aunque el circón (ZrSiO ₄ ) es el más comúnmente utilizado, también se pueden utilizar otros minerales como la monacita (ver: geocronología de la monacita ), la titanita y la baddeleyita .

Cuando no se pueden obtener cristales como el circón con inclusiones de uranio y torio, también se han aplicado técnicas de datación uranio-plomo a otros minerales como la calcita / aragonita y otros minerales carbonatados . Estos tipos de minerales suelen producir edades de menor precisión que los minerales ígneos y metamórficos utilizados tradicionalmente para la datación de edades, pero están disponibles con mayor frecuencia en el registro geológico.

Durante las etapas de desintegración alfa , el cristal de circón sufre daños por radiación asociados a cada desintegración alfa. Este daño se concentra principalmente alrededor del isótopo original (U y Th), expulsando al isótopo hijo (Pb) de su posición original en la red del circón.

En áreas con una alta concentración del isótopo original, el daño a la red cristalina es bastante extenso y a menudo se interconectará para formar una red de áreas dañadas por radiación. ^[4] Las huellas de fisión y las microgrietas dentro del cristal extenderán aún más esta red de daños por radiación.

Estas pistas de fisión actúan como conductos en lo profundo del cristal, proporcionando un método de transporte para facilitar la lixiviación de isótopos de plomo del cristal de circón. ^[5]

En condiciones en las que no se ha producido pérdida ni ganancia de plomo del ambiente exterior, la edad del circón se puede calcular suponiendo una desintegración exponencial del uranio.

${\displaystyle N_{\mathrm {n} }=N_{\mathrm {o} }e^{-\lambda t}\,}$

dónde

• ${\displaystyle N_{\mathrm {n} }=\mathrm {U} }$es el número de átomos de uranio medidos ahora.
• ${\displaystyle N_{\mathrm {o} }}$es el número de átomos de uranio originalmente - igual a la suma de átomos de uranio y plomo medidos ahora.${\displaystyle \mathrm {U} +\mathrm {Pb} }$
• ${\displaystyle \lambda =\lambda _ {\mathrm {U} }}$es la tasa de desintegración del uranio.
• ${\estilo de visualización t}$es la edad del circón que se quiere determinar.

Esto da

${\displaystyle \mathrm {U} =\left(\mathrm {U} +\mathrm {Pb} \right)e^{-\lambda _{\mathrm {U} }t},}$

que puede escribirse como

${\displaystyle {{\mathrm {Pb} } \over {\mathrm {U} }}=e^{\lambda _{\mathrm {U} }t}-1.}$

Las cadenas de desintegración de uranio y plomo más comúnmente utilizadas dan las siguientes ecuaciones:

${\displaystyle {{^{\text{206}}\,\!{\text{Pb}}^{*}} \sobre {^{\text{238}}\,\!{\text{U}}}}=e^{\lambda _{238}t}-1,}$

( 1 )

${\displaystyle {{^{\text{207}}\,\!{\text{Pb}}^{*}} \sobre {^{\text{235}}\,\!{\text{U}}}}=e^{\lambda _{235}t}-1.}$

( 2 )

(La notación , que a veces se utiliza en este contexto, se refiere al plomo radiogénico . En el caso del circón, se puede suponer que el contenido de plomo original es cero y se puede ignorar la notación). Se dice que estos dan como resultado edades concordantes ( t de cada ecuación 1 y 2). Son estas edades concordantes, graficadas en una serie de intervalos de tiempo, las que dan como resultado la línea concordante. ^[6]${\displaystyle {\text{Pb}}^{*}}$

La pérdida (fuga) de plomo de la muestra dará como resultado una discrepancia en las edades determinadas por cada esquema de desintegración. Este efecto se conoce como discordancia y se demuestra en la Figura 1. Si una serie de muestras de circón ha perdido diferentes cantidades de plomo, las muestras generan una línea discordante. La intersección superior de la línea de concordia y la línea de discordia reflejarán la edad original de formación, mientras que la intersección inferior reflejará la edad del evento que llevó al comportamiento del sistema abierto y, por lo tanto, a la pérdida de plomo; aunque ha habido cierto desacuerdo con respecto al significado de las edades de intersección inferiores. ^[6]

El circón intacto retiene el plomo generado por la desintegración radiactiva del uranio y el torio hasta temperaturas muy altas (alrededor de 900 °C), aunque el daño por radiación acumulado dentro de zonas con niveles muy altos de uranio puede reducir esta temperatura sustancialmente. El circón es muy inerte químicamente y resistente a la erosión mecánica, una bendición mixta para los geocronólogos, ya que las zonas o incluso los cristales enteros pueden sobrevivir a la fusión de su roca madre con su edad original de uranio y plomo intacta. Por lo tanto, los cristales de circón con historias prolongadas y complicadas pueden contener zonas de edades dramáticamente diferentes (generalmente con la zona más antigua formando el núcleo y la zona más joven formando el borde del cristal), y por lo tanto se dice que muestran "características heredadas". Desentrañar tales complejidades (que también pueden existir dentro de otros minerales, dependiendo de su temperatura máxima de retención de plomo) generalmente requiere un análisis de microhaz in situ utilizando, por ejemplo, microsonda de iones ( SIMS ), o ICP-MS láser .

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