ISOTOPOSISOTOPOS

Radioactivos Radioactivos decaimiento decaimiento RadiogRadiogéénicosnicosUso en geocronologUso en geocronologíía y a y termocronometrtermocronometrííaaEj. KEj. K--ArAr, U, U--PbPb, Re, Re--Os, Os, RbRb--SrSr, , NdNd--SmSm, , LuLu--HfHfPetrologPetrologííaa8787Sr/Sr/8686Sr, Sr, 143143Nd/Nd/144144Nd, Nd, 187187Os/Os/190190Os, Os, 176176Hf/Hf/177177HfHf

Estables Estables fraccionamiento fraccionamiento Razones isotRazones isotóópicaspicasFuente de elementos y fluidos, temperatura, interacción Fuente de elementos y fluidos, temperatura, interacción entre fluidos y rocas; acción biológica.entre fluidos y rocas; acción biológica.

Espectrómetro de masasEspectrómetro de masas

Espectrómetro de masasEspectrómetro de masas

Instrumento que detecta distintas masas Instrumento que detecta distintas masas de elementos de una muestra vaporizada.de elementos de una muestra vaporizada.Muy preciso para medir razones Muy preciso para medir razones isotópicas.isotópicas.Menos preciso para medir cantidades Menos preciso para medir cantidades absolutas y para poder hacerlo se debe absolutas y para poder hacerlo se debe agregar un trazador isotópico de agregar un trazador isotópico de composición y cantidad conocidas (composición y cantidad conocidas (spikespike), ), para poder derivar el de la muestra. para poder derivar el de la muestra.

Isótopos EstablesIsótopos Estables

Fuentes de los fluidosFuentes de los fluidosTemperatura de Temperatura de depositacióndepositación de mineralde mineralFuentes del S y C y por extrapolación de los Fuentes del S y C y por extrapolación de los metalesmetalesInteracciones entre agua y rocasInteracciones entre agua y rocas

Los isótopos estables por sí mismos no Los isótopos estables por sí mismos no entregan una respuesta inequívoca y deben ser entregan una respuesta inequívoca y deben ser usados con otros datos geológicos, usados con otros datos geológicos, mineralógicos, petrológicos y geoquímicos.mineralógicos, petrológicos y geoquímicos.

Isótopos establesIsótopos estables

Los isótopos más usados en investigación de Los isótopos más usados en investigación de mineralización hidrotermal son los de oxígeno, mineralización hidrotermal son los de oxígeno, hidrógeno, azufre y carbón.hidrógeno, azufre y carbón.Cada uno de ellos tiene 2 o más isótopos Cada uno de ellos tiene 2 o más isótopos establesestablesEn cada caso el isótopo más liviano (Ej. En cada caso el isótopo más liviano (Ej. 11H, H, 1212C, C, 1616O y O y 3232S) es el más abundante.S) es el más abundante.Recientemente se ha comenzado a estudiar los Recientemente se ha comenzado a estudiar los isótopos estables de Cu, Fe y isótopos estables de Cu, Fe y ZnZn..

Isótopos EstablesIsótopos Estables

Fraccionamiento isotópicoFraccionamiento isotópicoLa composición isotópica de elementos que tienen La composición isotópica de elementos que tienen número atómico bajo es variable debido a que los número atómico bajo es variable debido a que los isótopos son fraccionados por procesos químicos y isótopos son fraccionados por procesos químicos y físicos en la naturaleza.físicos en la naturaleza.El fraccionamiento se debe a pequeñas variaciones en El fraccionamiento se debe a pequeñas variaciones en las propiedades químicas y físicas de los isótopos y es las propiedades químicas y físicas de los isótopos y es proporcional a la diferencia de sus masas. proporcional a la diferencia de sus masas. Por la razón anterior el fraccionamiento isotópico natural Por la razón anterior el fraccionamiento isotópico natural se ha detectado solo hasta la masa 40, o sea K y se ha detectado solo hasta la masa 40, o sea K y CaCa. . Aunque actualmente con espectrómetros mejorados se Aunque actualmente con espectrómetros mejorados se está estudiando isótopos más pesados.está estudiando isótopos más pesados.

Fraccionamiento isotópicoFraccionamiento isotópicoEl fraccionamiento isotópico de H, C, N, O y S El fraccionamiento isotópico de H, C, N, O y S es consecuencia del hecho que ciertas es consecuencia del hecho que ciertas propiedades termodinámicas de moléculas propiedades termodinámicas de moléculas dependen de las masas de los átomos de los dependen de las masas de los átomos de los que están constituidas.que están constituidas.La energía de una molécula en un gas puede La energía de una molécula en un gas puede ser descrita en términos de interacciones entre ser descrita en términos de interacciones entre electrones más componentes de translación, electrones más componentes de translación, rotación y vibración de la molécula.rotación y vibración de la molécula.Entonces diferencias de energía se deben a Entonces diferencias de energía se deben a diferencias de componentes de vibración, los diferencias de componentes de vibración, los que son dependientes de la masa.que son dependientes de la masa.

Razones isotópicasRazones isotópicas

El fraccionamiento isotópico El fraccionamiento isotópico (reacción de (reacción de intercambio isotópico)intercambio isotópico) es función de la es función de la diferencia de masas entre dos isótopos. Ej. El diferencia de masas entre dos isótopos. Ej. El 1818O se fraccionará más respecto al O se fraccionará más respecto al 1616O (O (~x2~x2veces) que el veces) que el 1717OOPor esto las razones isotópicas que se miden Por esto las razones isotópicas que se miden son entre el isótopo más pesado y el más liviano son entre el isótopo más pesado y el más liviano del respectivo elemento, excepto en el caso del del respectivo elemento, excepto en el caso del azufre donde se escoge el azufre donde se escoge el 3434S porque es más S porque es más abundante y más fácil de medir que el abundante y más fácil de medir que el 3636S.S.

La medición de razones isotópicas se realiza La medición de razones isotópicas se realiza normalmente respecto a un estándar y se normalmente respecto a un estándar y se representa en la forma de delta. Esto es para representa en la forma de delta. Esto es para aumentar la precisión, exactitud y facilitar las aumentar la precisión, exactitud y facilitar las mediciones por espectrometría.mediciones por espectrometría.

Ej. las razonesEj. las razones isotisotóópicas picas 1818O/O/1616O y D/H se O y D/H se presentan como presentan como δδ1818OO‰‰ y y δδDD‰‰ ((perper milmil)) donde donde el el estandarestandar (SMOW) (SMOW) ““standardstandard mean mean oceanoceanwaterwater”” corresponde a un valor medio decorresponde a un valor medio del l agua agua marina.marina.

10001standard

×⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −=

RRmuestraδ

Valores positivos de Valores positivos de δδ (Ej. (Ej. δδ1818OO = 3= 3‰‰) ) corresponden a un enriquecimiento en el corresponden a un enriquecimiento en el isisóótopo pesado relativo al esttopo pesado relativo al estáándar.ndar.Valores negativos de Valores negativos de δδ (Ej. (Ej. δδ1818OO = = --33‰‰) ) son deprimidos en el isson deprimidos en el isóótopo pesado; o lo topo pesado; o lo que es lo mismo enriquecidos en el que es lo mismo enriquecidos en el isisóótopo liviano.topo liviano.

TerminologíaTerminología

Procesos responsables de Procesos responsables de fraccionamiento isotópicofraccionamiento isotópico

Procesos físicosProcesos físicosEvaporaEvaporacciióónn –– es el más importante para O y Hes el más importante para O y H. Concentra. Concentraloslos isótopos livianos en la fase gaseosa y los pesados en el isótopos livianos en la fase gaseosa y los pesados en el líquido/sólidolíquido/sólido. . La eLa evaporavaporacciióón n de agua de mar enriquece la de agua de mar enriquece la atmósfera en atmósfera en 11H y H y 1616OO..

DifusiDifusióónnLos isótopos livianos se difunden más rápido produciendo Los isótopos livianos se difunden más rápido produciendo fraccionamiento. fraccionamiento. No es un mecanismo importanteNo es un mecanismo importante..

Procesos orgánicosProcesos orgánicos (azufre)(azufre)Reducción bacterialReducción bacterial –– bacterias reductoras de sulfatos bacterias reductoras de sulfatos preferentemente rompen los enlaces atómicos más débiles preferentemente rompen los enlaces atómicos más débiles enriqueciendo la fase sulfuro enenriqueciendo la fase sulfuro en 3232S S relativo al enriquecimiento relativo al enriquecimiento enen 3434S S del sulfato remanentedel sulfato remanente. En general los procesos . En general los procesos orgánicos enriquecen los materiales en el isótopo liviano.orgánicos enriquecen los materiales en el isótopo liviano.

Procesos responsables para Procesos responsables para fraccionamiento isotópicofraccionamiento isotópico

Procesos InorgánicosProcesos InorgánicosTemperatura Temperatura –– a a t°t° elevadas los átomos vibran más elevadas los átomos vibran más rápido y de aquí que los isótopos livianos que forman rápido y de aquí que los isótopos livianos que forman enlaces más débiles tengan menor probabilidad de enlaces más débiles tengan menor probabilidad de ser incorporados en un mineral en cristalización. ser incorporados en un mineral en cristalización. EntoncesEntonces, los minerales formados temprano estarán , los minerales formados temprano estarán enriquecidos en los isótopos pesados relativos a enriquecidos en los isótopos pesados relativos a aquellos formados más tarde a menor temperatura.aquellos formados más tarde a menor temperatura.Estudios de depósitos minerales han mostrado que la Estudios de depósitos minerales han mostrado que la secuencia pirita secuencia pirita blenda blenda calcopirita calcopirita galena galena muestra un progresivo enriquecimiento en el ismuestra un progresivo enriquecimiento en el isóótopo topo liviano de azufre (liviano de azufre (3232S)S)..

La alteración hidrotermal involucra una serie La alteración hidrotermal involucra una serie de reacciones químicas entre el fluido de reacciones químicas entre el fluido

acuoso caliente y los minerales de las rocasacuoso caliente y los minerales de las rocas¿Cómo podemos saber cuál fue la fuente del ¿Cómo podemos saber cuál fue la fuente del agua que participó en los procesos agua que participó en los procesos hidrotermales en depósitos en los que solo resta hidrotermales en depósitos en los que solo resta el efecto químico, pero los fluidos ya se fueron?el efecto químico, pero los fluidos ya se fueron?El HEl H22O está constituido por hidrógeno que tiene O está constituido por hidrógeno que tiene dos isótopos dos isótopos 11H y H y 22H (deuterio) y el oxígeno H (deuterio) y el oxígeno también tiene también tiene 1616O y O y 1818O. La abundancia relativa O. La abundancia relativa de los respectivos isótopos depende de de los respectivos isótopos depende de procesos naturales y puede aprovecharse para procesos naturales y puede aprovecharse para inferir la fuente del agua participante en inferir la fuente del agua participante en procesos hidrotermales de mineralización.procesos hidrotermales de mineralización.

Ej. Diferencias isotópicas del oxígeno en distintos reservorios terrestres

Estudios de Taylor en los 70s mostraron que las aguas Estudios de Taylor en los 70s mostraron que las aguas superficiales muestran un enriquecimiento en isótopos superficiales muestran un enriquecimiento en isótopos pesados cerca de la costa y disminuye hacia el centro pesados cerca de la costa y disminuye hacia el centro del continente y hacia el ecuador.del continente y hacia el ecuador.

Fraccionamiento isotópico de aguas Fraccionamiento isotópico de aguas meteóricasmeteóricas

La primera precipitación de lluvia en el borde La primera precipitación de lluvia en el borde continental estará enriquecida en el isótopo más continental estará enriquecida en el isótopo más pesado pesado 1818OO. . Por lo tanto los valores más altos Por lo tanto los valores más altos de de 1818O O yy 22H H estarán cerca de la costa. estarán cerca de la costa. Progresivamente caerán los isótopos más Progresivamente caerán los isótopos más livianos hacia el interior continental debido a la livianos hacia el interior continental debido a la perdida inicial de los isótopos pesadosperdida inicial de los isótopos pesados. . El enriquecimiento hacia el ecuador es función El enriquecimiento hacia el ecuador es función de la evaporación, la que es más alta en los de la evaporación, la que es más alta en los trópicos y menor en los polos.trópicos y menor en los polos.

Isótopos de O y HIsótopos de O y H1818O/O/1616O y D/HO y D/H ((22H/H/11H)H)La medición de razones isotópicas en minerales provee La medición de razones isotópicas en minerales provee información sobre la posible fuente del agua que originó información sobre la posible fuente del agua que originó minerales hidrotermales. Existe fraccionamiento minerales hidrotermales. Existe fraccionamiento isotópico (reacción de intercambio isotópico) que isotópico (reacción de intercambio isotópico) que produce distintas composiciones isotópicas.produce distintas composiciones isotópicas.

Por convención las razonesPor convención las razones isotisotóópicas picas 1818O/O/1616O y D/H se O y D/H se presentan como presentan como δδ1818OO‰‰ y y δδDD‰‰ ((perper milmil)) donde el donde el estandarestandar (SMOW) (SMOW) ““standardstandard mean mean oceanocean waterwater””corresponde a un valor medio decorresponde a un valor medio del l agua marina.agua marina.

10001standard

×⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −=

RR muestraδ

Composiciones isotópicas de aguas de distintos orígenes

Diferencias isotópicas de O y H de distintas Diferencias isotópicas de O y H de distintas fuentesfuentes

Las aguas meteóricas definen una línea que depende Las aguas meteóricas definen una línea que depende de la latitud y altitud como se mencionó anteriormente.de la latitud y altitud como se mencionó anteriormente.El agua de mar cae en un solo punto debido a la El agua de mar cae en un solo punto debido a la homogeneidad general del agua oceánica (de ahí que homogeneidad general del agua oceánica (de ahí que se use el valor medio del agua marina como se use el valor medio del agua marina como standardstandard).).El agua magmática define una caja relativamente El agua magmática define una caja relativamente pequeña. Está determinada empíricamente mediante pequeña. Está determinada empíricamente mediante análisis de silicatos hidratados.análisis de silicatos hidratados.La aguas metamórficas definen una caja más amplia La aguas metamórficas definen una caja más amplia resultante del análisis de minerales hidratados que resultante del análisis de minerales hidratados que son una mezcla de protolitos ígneos y sedimentarios.son una mezcla de protolitos ígneos y sedimentarios.

Existen evidencias que distintos tipos de aguas pueden formar depósitossimilares y que aguas de dos o más tipos han jugado roles importantes en la formación de algunos depósitos minerales.

Precaución: reacciones agua-roca con re-equilibrio incompleto yla mezcla de aguas de distinto origen pueden dar valores intermedios, por lo que pueden complicar la interpretación de datos isotópicos de O y H.

El yacimiento El Salvador presenta una etapa inicial con participación deagua magmática (biotita, anfíbola), luego una mezcla con agua meteórica(sericita, caolinita) e incrementarse la última más tardíamente (pirofilita).

GeotermómetroGeotermómetro de de 1818O/O/1616OOFraccionamientoFraccionamiento isotisotóópico (reaccipico (reaccióón de intercambio isotn de intercambio isotóópico) del pico) del sistema cuarzosistema cuarzo--agua:agua:

HH221818O+ O+ ½½ SiSi1616OO22 HH22

1616O+ O+ ½½ SiSi1818OO22

Existe una constante de equilibrio Existe una constante de equilibrio αα que depende de la que depende de la temperatura. temperatura. Por lo que la rPor lo que la razazóónn 1818O/O/1616O puede utilizarse como O puede utilizarse como geotermgeotermóómetrometro..CondicionesCondiciones

Se requiere de un conocimiento experimental del intercambio Se requiere de un conocimiento experimental del intercambio isotisotóópico entre fases minerales de interpico entre fases minerales de interéés (determinacis (determinacióón n precisa de precisa de αα).).Los minerales deben haberse formado al mismo tiempo y en Los minerales deben haberse formado al mismo tiempo y en equilibrio isotequilibrio isotóópicopicoEl equilibrio isotEl equilibrio isotóópico debe haberse preservado (los repico debe haberse preservado (los re--equilibrios isotequilibrios isotóópicos posteriores a la formacipicos posteriores a la formacióón de un mineral n de un mineral hidratado son relativamente comunes).hidratado son relativamente comunes).

Si no se cumple esas condiciones la interpretaciSi no se cumple esas condiciones la interpretacióón n geotermomgeotermoméétricatrica se complica.se complica.

Isótopos de azufreIsótopos de azufreLa composición isotópica de S en minerales La composición isotópica de S en minerales hidrotermales es fuertemente controlada por los valores hidrotermales es fuertemente controlada por los valores de de fOfO22 y pH, además de la temperatura y la composición y pH, además de la temperatura y la composición isotópica del fluido.isotópica del fluido.Ej. A 250ºC el aumento de 1 unidad logarítmica de Ej. A 250ºC el aumento de 1 unidad logarítmica de fOfO22puede causar un descenso de puede causar un descenso de δδ3434SS en 20en 20‰‰La composiciLa composicióón isotn isotóópica del S, combinada con datos pica del S, combinada con datos geolgeolóógicos y mineralgicos y mineralóógicos de depgicos de depóósitos minerales, sitos minerales, puede definir los parpuede definir los paráámetros fmetros fíísicosico--ququíímicos (T, micos (T, fOfO22, , fSfS22) ) y el origen del S en fluidos hidrotermales y los y el origen del S en fluidos hidrotermales y los mecanismos de mecanismos de depositacidepositacióónn..Pero, la interpretaciPero, la interpretacióón no es simple (Ej. n no es simple (Ej. OhmotoOhmoto, 1972; , 1972; Econ. Geol., v. 67, p. 551Econ. Geol., v. 67, p. 551--578)578)

Isótopos de S El Salvador;Field & Gustafson,1976; Econ. Geol.v. 71, p. 1533-1548

Fraccionamiento avalores positivos ynegativos, pero enel balance es en torno a cero, demodo que se interpreta como Sde origen magmá-tico.

Isótopos de Isótopos de PbPb

((207207Pb/Pb/204204Pb) = (Pb) = (207207Pb/Pb/204204Pb)o + (Pb)o + (235235U/U/204204Pb)(ePb)(eλλ1t1t--1) 1) ((206206Pb/Pb/204204Pb) = (Pb) = (206206Pb/Pb/204204Pb)o + (Pb)o + (238238U/U/204204Pb)(ePb)(eλλ2t2t--1) 1) ((208208Pb/Pb/204204Pb) = (Pb) = (208208Pb/Pb/204204Pb)o + (Pb)o + (232232Th/Th/204204Pb)(ePb)(eλλ33tt--1) 1) Para los isótopos de Para los isótopos de PbPb se usa el se usa el 204204Pb como Pb como isótopo de referencia el que no es isótopo de referencia el que no es radiogénicoradiogénico ni ni radioactivo.radioactivo.Las constantes de decaimiento son distintas para Las constantes de decaimiento son distintas para cada isótopo radioactivo.cada isótopo radioactivo.