Datação de samário-neodímio - Samarium–neodymium dating

A datação de samário-neodímio é um método de datação radiométrica útil para determinar as idades de rochas e meteoritos , com base na decadência radioativa de um isótopo de samário de longa duração ( ¹⁴⁷ Sm) para um isótopo de neodímio radiogênico ( ¹⁴³ Nd). As razões de isótopos de neodímio juntamente com as razões de samário-neodímio são usadas para fornecer informações sobre a idade e a fonte de derretimentos ígneos . Às vezes, presume-se que, no momento em que o material crustal é formado a partir do manto, a proporção de isótopos de neodímio depende apenas do momento em que esse evento ocorreu, mas depois disso evolui de uma forma que depende da nova proporção de samário para neodímio na crosta. material, que será diferente da proporção no material do manto. A datação samário-neodímio permite-nos determinar quando o material crustal foi formado.

A utilidade da datação Sm – Nd decorre do fato de que esses dois elementos são elementos de terras raras e, portanto, teoricamente, não são particularmente suscetíveis à partição durante a sedimentação e diagênese . A cristalização fracionada de minerais félsicos altera a razão Sm / Nd dos materiais resultantes. Isso, por sua vez, influencia a taxa na qual a razão ¹⁴³ Nd / ¹⁴⁴ Nd aumenta devido à produção de ¹⁴³ Nd radiogênico .

Em muitos casos, os dados dos isótopos Sm – Nd e Rb – Sr são usados ​​juntos.

Datação radiométrica Sm – Nd

Samário tem cinco isótopos que ocorrem naturalmente e neodímio tem sete. Os dois elementos são unidos em uma relação pai-filha pelo decaimento alfa do pai ¹⁴⁷ Sm para a filha radiogênica ¹⁴³ Nd com meia-vida de 1,06 × 10 ¹¹ anos e pelo decaimento alfa de ¹⁴⁶ Sm (um nuclídeo quase extinto com meia-vida de 6,87 × 10 ⁷ anos) para produzir ¹⁴² Nd.

Para encontrar a data em que uma rocha (ou grupo de rochas) se formou, pode-se usar o método de datação por isócrono . O isócrono Sm-Nd traça a proporção de ¹⁴³ Nd radiogênico para ¹⁴⁴ Nd não radiogênico contra a proporção do isótopo pai ¹⁴⁷ Sm para o isótopo não radiogênico ¹⁴⁴ Nd. ¹⁴⁴ Nd é usado para normalizar o isótopo radiogênico no isócrono porque é um isótopo de neodímio estável e relativamente abundante.

A isócrona Sm-Nd é definida pela seguinte equação:

${\ displaystyle \ left ({\ frac {{} ^ {143} \ mathrm {Nd}} {{} ^ {144} \ mathrm {Nd}}} \ right) _ {\ mathrm {presente}} = \ left ({\ frac {{} ^ {143} \ mathrm {Nd}} {{} ^ {144} \ mathrm {Nd}}} \ right) _ {\ mathrm {initial}} + \ left ({\ frac { {} ^ {147} \ mathrm {Sm}} {{} ^ {144} \ mathrm {Nd}}} \ right) \ cdot (e ^ {\ lambda t} -1),}$

Onde:

t é a idade da amostra,

λ é a constante de decaimento de ¹⁴⁷ Sm,

( e ^{λ t} -1) é a inclinação da isócrona que define a idade do sistema.

Alternativamente, pode-se supor que o material formado a partir do material do manto que estava seguindo o mesmo caminho de evolução dessas proporções dos condritos , e então novamente o tempo de formação pode ser calculado (ver # O modelo CHUR ).

Geoquímica Sm e Nd

A concentração de Sm e Nd em minerais de silicato aumenta com a ordem em que eles se cristalizam de um magma de acordo com a série de reações de Bowen . O samário é mais facilmente acomodado em minerais máficos , de modo que uma rocha máfica que cristaliza minerais máficos concentrará o neodímio na fase de fusão em relação ao samário. Assim, à medida que um fundido sofre cristalização fracionada de uma composição máfica para uma mais félsica, a abundância de Sm e Nd muda, assim como a razão entre Sm e Nd.

Assim, as rochas ultramáficas possuem alta Sm e baixa Nd e, portanto, altas razões Sm / Nd. Rochas félsicas têm baixas concentrações de Sm e alto Nd e, portanto, baixas razões de Sm / Nd (por exemplo, komatiita tem 1,14 partes por milhão (ppm) de Sm e 3,59 ppm de Nd contra 4,65 ppm de Sm e 21,6 ppm de Nd em riolito ).

A importância deste processo é aparente na modelagem da idade de formação da crosta continental .

O modelo CHUR

Por meio da análise de composições isotópicas de neodímio, DePaolo e Wasserburg (1976) descobriram que as rochas ígneas terrestres no momento de sua formação a partir de derretimentos seguiram de perto a linha de " reservatório condrítico uniforme " ou "reservatório condrítico unifracionado" (CHUR) - o caminho que ^A proporção de ¹⁴³ Nd: ¹⁴⁴ Nd aumentou com o tempo nos condritos . Acredita-se que os meteoritos condríticos representem o material mais antigo (não classificado) que se formou no sistema solar antes da formação dos planetas. Eles têm assinaturas de oligoelementos relativamente homogêneas e, portanto, sua evolução isotópica pode modelar a evolução de todo o sistema solar e da "massa da Terra". Depois de traçar as idades e as razões iniciais de ¹⁴³ Nd / ¹⁴⁴ Nd de rochas ígneas terrestres em um diagrama de evolução de Nd vs. tempo, DePaolo e Wasserburg determinaram que as rochas arqueanas tinham razões de isótopos Nd iniciais muito semelhantes às definidas pela linha de evolução CHUR.

Notação épsilon

Como os desvios do ¹⁴³ Nd / ¹⁴⁴ Nd da linha de evolução CHUR são muito pequenos, DePaolo e Wasserburg argumentaram que seria útil criar uma forma de notação que descreve o ¹⁴³ Nd / ¹⁴⁴ Nd em termos de seus desvios da linha de evolução do CHUR. Isso é chamado de notação épsilon, em que uma unidade épsilon representa uma parte por 10.000 desvios da composição CHUR. Algebricamente, as unidades épsilon podem ser definidas pela equação

${\ displaystyle \ varepsilon _ {{\ text {Nd}} (t)} = \ left [{\ frac {\ left ({\ frac {^ {143} {\ text {Nd}}} {^ {144} {\ text {Nd}}}} \ right) _ {{\ text {sample}} (t)}} {\ left ({\ frac {^ {143} {\ text {Nd}}} {^ {144 } {\ text {Nd}}}} \ right) _ {{\ text {CHUR}} (t)}}} - 1 \ right] \ vezes 10 \, 000.}$

Uma vez que as unidades épsilon são mais finas e, portanto, uma representação mais tangível da razão isotópica Nd inicial, usando-as em vez das razões isotópicas iniciais, é mais fácil de compreender e, portanto, comparar as razões iniciais da crosta com diferentes idades. Além disso, as unidades épsilon normalizarão as razões iniciais para CHUR, eliminando assim quaisquer efeitos causados ​​por vários métodos analíticos de correção de fracionamento de massa aplicados.

Idades do modelo Nd

Uma vez que CHUR define proporções iniciais de rochas continentais ao longo do tempo, deduziu-se que medições de ¹⁴³ Nd / ¹⁴⁴ Nd e ¹⁴⁷ Sm / ¹⁴⁴ Nd, com o uso de CHUR, poderiam produzir idades modelo para a segregação do manto de fusão que se formou qualquer rocha da crosta terrestre. Isso foi denominado T _CHUR . Para que uma idade T _CHUR seja calculada, o fracionamento entre Nd / Sm teria que ter ocorrido durante a extração de magma do manto para produzir uma rocha continental. Este fracionamento causaria então um desvio entre as linhas de evolução isotópica da crosta e do manto. A intersecção entre essas duas linhas de evolução indica a idade da formação da crosta. A idade da T _CHUR é definida pela seguinte equação:

${\ displaystyle T _ {\ text {CHUR}} = \ left ({\ frac {1} {\ lambda}} \ right) \ ln \ left [1 + {\ frac {\ left ({\ frac {^ {143 } {\ text {Nd}}} {^ {144} {\ text {Nd}}}} \ right) _ {\ text {sample}} - \ left ({\ frac {^ {143} {\ text { Nd}}} {^ {144} {\ text {Nd}}}} \ right) _ {\ text {CHUR}}} {\ left ({\ frac {^ {147} {\ text {Sm}}} {^ {144} {\ text {Nd}}}} \ right) _ {\ text {sample}} - \ left ({\ frac {^ {147} {\ text {Sm}}} {^ {144} {\ text {Nd}}}} \ right) _ {\ text {CHUR}}}} \ right].}$

A idade T _CHUR de uma rocha pode render uma idade de formação para a crosta como um todo se a amostra não tiver sofrido perturbação após sua formação. Como Sm / Nd são elementos de terras raras (REE), sua caracterização permite que as razões teíticas imóveis resistam ao particionamento durante o metamorfismo e derretimento de rochas de silicato. Isso, portanto, permite que as idades de formação da crosta sejam calculadas, apesar de qualquer metamorfismo que a amostra tenha sofrido.

O modelo do manto empobrecido

Gráfico para mostrar o modelo de manto empobrecido de DePaolo (1981)

Apesar do bom ajuste dos plútons arqueanos à linha de evolução do isótopo CHUR Nd, DePaolo e Wasserburg (1976) observaram que a maioria dos jovens vulcânicos oceânicos (basaltos do Mid Ocean Ridge e basaltos do Island Arc) situam-se +7 a +12 ɛ unidades acima do CHUR linha (veja a figura). Isso levou à constatação de que as rochas ígneas continentais arqueanas que traçaram o erro da linha CHUR poderiam, em vez disso, estar em uma linha de evolução de manto empobrecido caracterizada pelo aumento das razões Sm / Nd e ¹⁴³ Nd / ¹⁴⁴ Nd ao longo do tempo. Para analisar ainda mais essa lacuna entre os dados de CHUR arqueanos e as amostras vulcânicas jovens, um estudo foi conduzido no embasamento metamórfico Proterozóico de Colorado Front Ranges (a Formação de Idaho Springs). As razões iniciais de ¹⁴³ Nd / ¹⁴⁴ Nd das amostras analisadas são plotadas em um diagrama ɛNd versus tempo mostrado na figura. DePaolo (1981) ajustou uma curva quadrática para as nascentes de Idaho e ɛNd médio para os dados do arco das ilhas oceânicas modernas, representando assim a evolução do isótopo de neodímio de um reservatório esgotado. A composição do reservatório esgotado em relação à linha de evolução de CHUR, no tempo T , é dada pela equação

ɛNd ( t ) = 0,25 T ² - 3 T + 8,5.

As idades do modelo Sm-Nd calculadas usando esta curva são denotadas como idades TDM. DePaolo (1981) argumentou que essas idades do modelo TDM produziriam uma idade mais precisa para idades de formação da crosta terrestre do que as idades do modelo TCHUR - por exemplo, uma idade do modelo TCHUR anormalmente baixa de 0,8  Gy de McCulloch e o compósito Grenville de Wasserburg foi revisado para uma idade TDM de 1.3 Gy, típico para formação de crosta juvenil durante a orogenia de Grenville.

Referências