Titânio em geotermometria de zircão - Titanium in zircon geothermometry
Titânio em geotermometria de zircão é uma forma de técnica de geotermometria pela qual a temperatura de cristalização de um cristal de zircão pode ser estimada pela quantidade de átomos de titânio que só podem ser encontrados na estrutura do cristal . Em cristais de zircão, o titânio é comumente incorporado, substituindo átomos de zircônio e silício com carga semelhante . Este processo é relativamente não afetado pela pressão e altamente dependente da temperatura, com a quantidade de titânio incorporado aumentando exponencialmente com a temperatura, tornando este um método geotermométrico preciso. Esta medição de titânio em zircões pode ser usada para estimar as temperaturas de resfriamento do cristal e inferir as condições durante as quais ele cristalizou. As mudanças composicionais nos anéis de crescimento dos cristais podem ser usadas para estimar a história termodinâmica de todo o cristal. Este método é útil porque pode ser combinado com técnicas de datação radiométrica comumente usadas com cristais de zircão (ver geocronologia de zircão ), para correlacionar medições quantitativas de temperatura com idades absolutas específicas. Esta técnica pode ser usada para estimar as condições primitivas da Terra, determinar fácies metamórficas ou para determinar a fonte de zircões detríticos , entre outros usos.
Zircão
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Zircão ((Zr 1 – y , REE y ) (SiO 4 ) 1 – x (OH) 4x – y )) é um mineral ortossilicato comumente encontrado como um mineral acessório em toda a crosta terrestre. Devido à sua estrutura cristalina e geoquímica, o zircão é um mineral comumente analisado devido à sua utilidade para geólogos como geocronômetro e geotermômetro.
Quimicamente, o zircão é um mineral particularmente útil devido à sua capacidade de incorporar muitos oligoelementos. Muitos desses elementos podem ser usados para datação radiométrica para fornecer uma idade para o cristal. É conhecido por trocar urânio , tório e elementos de terras raras (REE), como ítrio e lutécio . No entanto, as energias potenciais químicas dessas substituições REE não são bem compreendidas, portanto, não são adequadas para determinar as temperaturas de cristalização. O titânio também é incorporado ao zircão e suas taxas de câmbio foram estudadas em detalhes. Ti 4+ , um íon tetravalente, pode substituir Zr 4+ ou Si 4+ em um mecanismo dependente da temperatura. Para zircões na presença de TiO 2 , ou seja, o mineral rutilo , esse processo de substituição é comum e pode ser medido. O zircão também é útil porque sua incorporação de outros elementos como urânio, lutécio, samário e oxigênio pode ser analisada para fornecer mais informações sobre a idade e as condições sob as quais o cristal cresceu.
Termicamente, o zircão é resistente a mudanças de temperatura e extremos. É estável até 1690 ° C à pressão ambiente e tem uma baixa taxa de expansão térmica. Os cristais de zircão também são alguns dos minerais de silicato mais incompressíveis. A alta durabilidade dos zircões também permite que eles se cristalizem em torno de outros minerais de silicato, criando bolsas ou inclusões de fundidos circundantes que são indicativos de magma em pressões e temperaturas específicas. Isso essencialmente forma uma cápsula do tempo, dando uma ideia das condições passadas em que o cristal se formou.
Os zircões são conhecidos por serem relativamente retentivos de seus isótopos incorporados e, portanto, muito úteis para estudos microquantitativos. Cátions como REE, U, Th, Hf, Pb e Ti se difundem lentamente para fora dos zircões, e suas quantidades medidas no mineral são diagnósticos das condições de fusão que cercam o cristal durante o crescimento. Essa taxa lenta de difusão de muitos dos elementos incorporados torna os cristais de zircão mais propensos a formar zoneamento composicional, que pode representar zoneamento oscilatório ou zoneamento de setor, conforme a composição do derretimento ou as condições de energia mudam em torno do cristal ao longo do tempo. Essas zonas mostram diferenças composicionais entre o núcleo e a borda do cristal, fornecendo evidências observáveis de mudanças nas condições de fusão. As taxas de difusão lenta também evitam a contaminação por vazamento ou perda de isótopos do cristal, aumentando a probabilidade de que as medições cronológicas e composicionais sejam precisas.
Métodos
Esta seção irá revisar o processo de medição do conteúdo de titânio de zircões, começando com a coleta de amostra, separação mineral, montagem para análise de microssonda e terminando com a análise de elemento microquantitativo. Depois que a rocha é coletada, os zircões são extraídos usando uma série de técnicas, como peneira , líquido pesado , mesa vibratória e separação magnética para separar os minerais com base em diferentes densidades e propriedades. Os cristais de zircão são então montados em uma lâmina em forma de disco de epóxi ou metal, onde podem ser raspados até a metade da espessura para revelar sua estrutura interna. A partir daqui, eles podem ser fotografados usando catodoluminescência para tornar visíveis quaisquer zonações no mineral. Se o zoneamento for aparente, várias medições da abundância de Ti podem ser feitas do centro à borda para dar a evolução da temperatura do cristal.
A etapa final envolve a medição da abundância de titânio em um local específico em um cristal de zircão com uma microssonda de íons. Para isso, a composição química dos zircões é medida por espectrometria de massa de íons secundários . A amostra é bombardeada com um feixe de íons primários, e a carga e a massa dos íons secundários ejetados são medidas para determinar a composição química no ponto de contato. O valor quantitativo para o teor de titânio é então comparado a uma relação conhecida de incorporação de titânio e temperatura para determinar a temperatura de cristalização dessa zona do zircão. A relação titânio-temperatura foi calculada usando zircões datados radiometricamente in situ com temperaturas de fusão conhecidas da rocha circundante. Essa medição de titânio em zircão pode ser feita várias vezes em zircões zoneados, o que pode registrar a evolução da temperatura resultante de muitos eventos geológicos.
Usos
Usando esta técnica, as temperaturas de cristalização dos zircões podem ser estimadas para estimar a temperatura de resfriamento do cristal. Técnicas de geotermometria como esta podem fornecer evidências de mudanças na temperatura em vários ambientes, a evolução termodinâmica das rochas, a mudança gradual no gradiente geotérmico ao longo do tempo geológico e determinar a proveniência de sedimentos detríticos . Juntamente com técnicas de geocronologia que medem usando decaimento radiométrico para determinar a idade de uma rocha, como o decaimento U / Pb, essas medições de paleotemperatura podem ser combinadas com uma idade absoluta para determinar as mudanças de temperatura ao longo do tempo.
O titânio na geotermometria de zircão tem sido usado até agora em rochas ígneas para estimar as temperaturas de resfriamento do magma de cristais de zircão datados da idade Hadean (> 4,0 Ga). Baixas temperaturas de cristalização de zircões desta idade sugerem que a Terra Hadeana continha água líquida, o que reduzia a temperatura de resfriamento dos materiais crustais. Potencialmente, a termometria de titânio em zircão dos zircões mais antigos da Terra pode mostrar a perda progressiva de calor de uma Terra Hadeana magmática até o início das placas tectônicas quando a crosta do planeta começou a esfriar e sofreu deformação plástica. Isso fornecerá evidências até então desconhecidas para as condições na Terra primitiva e permitirá testar as idéias de como o planeta evoluiu através dos éons Hadeanos e Arqueanos .
A geotermometria de titânio em zircão pode ser usada em zircões encontrados em rochas metamórficas para estimar as condições de pressão e temperatura durante o metamorfismo. Isso ajuda a identificar a fácies metamórfica e, portanto, o cenário geológico de uma formação rochosa. Também pode ser usado em rochas sedimentares para ajudar a determinar a fonte de minerais detríticos. No entanto, esses cristais às vezes podem ser contaminados por titânio externo infiltrando-se nas fraturas.
Erros e limitações
A geotermometria de titânio em zircão é considerada um método relativamente confiável e preciso para determinar as temperaturas de cristalização de zircões, com um erro de apenas 10-16 graus Celsius. No entanto, existem várias limitações e suposições usadas nesta técnica que aumentam a margem de erro.
A principal limitação dessa técnica é que ela só pode ser usada em sistemas que contenham titânio ou o rutilo mineral (TiO 2 ). Em sistemas que têm pouco ou nenhum titânio, esse método é inútil, pois os zircões não incorporarão titânio se ele não estiver presente na fusão magmática. No entanto, modelos recentes levaram em consideração a capacidade do zircônio de substituir o silício ou o zircônio no cristal por titânio usando atividades independentes de silício e zircão. Isso expandiu o uso potencial de zircões com origens desconhecidas, devido à abundância de silício na crosta terrestre. Em alguns cristais de zircão, inclusões do mineral quartzo (SiO 2 ) podem ser usadas como prova de que o silício estava presente durante a cristalização, validando assim o uso deste geotermômetro.
Devido à abundância de elementos radioativos que podem ser incorporados aos zircões, eles também são suscetíveis a danos por decaimento radioativo por meio do processo de metamictização . À medida que os elementos radioativos dentro da estrutura do cristal se deterioram, eles bombardeiam o interior do cristal com partículas radioativas. Isso enfraquece o cristal e o deixa fraturado ou destruído. Isso aumenta a chance de isótopos vazarem do cristal e afetarem as medições de titânio ou de outros elementos.
Outra dificuldade com esta microanálise é a contaminação do titânio nas superfícies externas. Estudos recentes expressaram preocupação com o revestimento de ouro na superfície das montagens da microssonda iônica , que contém pequenas quantidades de titânio (~ 1 ppm) que podem fornecer um erro durante a medição. Em zircões detríticos encontrados em fontes sedimentares, um revestimento de óxido contendo titânio na superfície e em fraturas de zircões também pode contaminar o cristal com excesso de titânio.
Estudos mais recentes também mostraram que existem outros fatores desconhecidos que contribuem para a incorporação de Ti em zircões. A atividade química de SiO 2 , variação de pressão, cristalização de desequilíbrio de fusão, crescimento tardio de cristal em fusão hidratada ou substituição não -Lei de Henry em cristais de zircão, todos podem desempenhar um papel na alteração das temperaturas de cristalização previstas.
Essa técnica também é limitada por várias suposições que, embora válidas, podem se provar inconsistentes em certas situações. Os estudos de laboratório usaram pressões constantes ao calcular as temperaturas de resfriamento e assumiram que a pressão não desempenha um papel importante na incorporação de titânio. Ao estimar as temperaturas de resfriamento, o aumento da pressão é contabilizado pelo aumento das estimativas de temperatura e, portanto, aumenta a incerteza das estimativas.