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Fundada en 1962

SOC

IEDA

D GEOLOGICA DE CH

ILE

la serena octubre 2015

Geocronología U-Pb de Circones Mediante Ablación Láser Acoplado a un ICP-MS Multicolector: Metodología Utilizada en el Laboratorio de Geoquímica Isotópica del

Centro Fondap CEGA, Universidad de Chile

Mathieu Leisen*, Fernando Barra, Rurik Romero, Diego Morata, Martin Reich Departamento de Geología y Centro de Excelencia en Geotermia de Los Andes, Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas, Universidad de Chile, Santiago, Chile.

*email: mleisen@ing.uchile.cl

Resumen. El análisis de circones magmáticos o detríticosmediante ablación láser conectado a un ICP-MSmulticolector ha tenido un desarrollo importante durante los últimos diez años. Esta técnica analítica permite obtener información relevante sobre la génesis de las rocas que contienen circones como fases minerales accesorias incluso en aquellos que presentan una historia de cristalización compleja. En este estudio, presentamos la metodología utilizada para analizar diferentes tipos de circones (magmáticos y detríticos) en el Laboratorio de Geoquímica Isotópica del Centro Fondap CEGA de la Universidad de Chile, el primero en realizar este tipo de análisis en Chile. Esta metodología utiliza inicialmente una inspección visual combinando fotomicrografías bajo lupa e imágenes de catoluminiscencia (CL) de los circones para ubicar la mejor posición para realizar la ablación. Laablación se realiza de acuerdo a parámetros definidos experimentalmente y siguiendo una secuencia que considera la deriva instrumental durante el tiempo de análisis. Finalmente, la reducción de los datos se basa en la utilización del software Iolite y VizualAge, mientras que los gráficos y diagramas se realiza utilizando el complemento de Excel Isoplot.

Palabras Claves: Geocronología, Uranio-Plomo, Circones,Ablación Láser, ICP-MS, Multicolector.

1. Introducción

La utilización de un sistema de ablación láser (LA) acoplado a un espectrómetro de masas de acoplamiento inductivo (ICP-MS) ya sea del tipo cuadrupolo o sector magnético con colector único o con múltiples colectores (MC) emerge desde aproximadamente fines de los años 80(Jackson et al., 1992). Desde entonces la técnica de LA-ICP-MS se ha usado en una diversidad de estudios que permiten no solo determinar la composición de elementos traza con un control espacial preciso sino también determinar la composición isotópica y la edad de diversos minerales tales como el circón. El circón es un mineral accesorio presente en rocas ígneas y que además es resistente tanto a la alteración química como física, por lo que es común encontrarlo en rocas sedimentarias detríticas. Por otra parte, el sistema isotópico U-Pb presenta una temperatura de cierre cercana a los 800 °C en este mineral. En consecuencia, la datación de U-Pb en circones se ha

convertido en una herramienta extremadamente importante para determinar la edad de cristalización de rocas ígneas y la proveniencia de sedimentos de rocas sedimentarias clásticas y/o la edad mínima de deposición (e.g., Gehrels et al., 2008).

En este trabajo y luego de aproximadamente dos años de desarrollo, presentamos la metodología utilizada para analizar circones detríticos y magmáticos en el Laboratorio de Geoquímica Isotópica del Centro Fondap CEGA de la Universidad de Chile, el primero de su tipo en el país. Las diferentes muestras analizadas a la fecha presentan edades que fluctúan entre 1 Ma hasta más de 1 Ga.

El tratamiento de los datos brutos debe tomar en cuenta muchos factores diferentes tales como el fraccionamiento elemental de U y Pb, la posible contaminación y la presencia de plomo común, y el fraccionamiento de masa inherente a la espectrometría de masa.

2. Circones

La separación de circones se realiza siguiendo métodos estándares que incluyen: chancado de la muestra, tamizado, separación por mesa Gemeni, separación magnética mediante Frantz y concentración de circones utilizando líquidos densos. El proceso de separación se realiza en el Laboratorio de Preparación de Muestras del Departamento de Geología de la Universidad de Chile.Posteriormente, los circones son montados a mano en una cinta de doble contacto junto a estándares de circón (normalmente Plesovice). Sobre la muestra se coloca un anillo de plástico de aproximadamente 1 cm de alto. Se vierte resina sobre la muestra y se le deja endurecer durante 8 horas aproximadamente. La muestra es posteriormente separada de la cinta de doble contacto y luego pulida su superficie para tener una máxima superficie de exposición de los circones. Para muestras magmáticas se montan unos 50 circones, mientras que para muestras detríticas se tienen más de 150 circones. Luego las muestras son fotografiadas bajo la lupa para identificar fracturas e inclusiones (solidas y liquidas) en los granos. Seguido a esta etapa se toman imágenes de

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catodoluminescencia (CL) de los circones (Fig. 1). Este tipo de imágenes entrega información de zonaciones y sobrecrecimientos en los circones no visibles bajo la lupa. Esta información es muy relevante para definir la mejor zona de ablación (borde o centro) dependiendo de la finalidad del estudio y para la interpretación de la información cronológica (Corfu et al., 2003).

Antes del análisis, los montajes son sometidos a un baño ultrasónico con agua ultrapura para limpiar y eliminar o disminuir la posible contaminación por manipulación de la muestra.

Para circones detríticos se analizan entre 70 a 100 granos con el fin de para obtener una estadística suficiente robusta para la identificación de poblaciones de circones (Dodson et al., 1988; Andersen, 2005). Para muestras magmáticas se analizan entre 30 a 50 circones. Para muestras algo más complejas (tobas, andesitas) se recomienda analizar aproximadamente 50 circones.

Figura 1. Imagen CL 3D que muestra un pit de ablación de 30um de diámetro en el borde de un circón magmático.

La técnica de ablación láser tiene una limitación asociada al tamaño de las zonas de crecimiento vs el tamaño del núcleo de los circones, y al diámetro óptimo del haz deablación para obtener una señal adecuada. Un diámetro de haz muy grande puede ablacionar parte de ambas zonas, obteniéndose una mezcla de ambas zonas (“edad promedio”) que puede no tener significado geológico.

2.2 Metodología

El sistema analítico utilizado en nuestro laboratorio es un láser ArF excimer 193 nm (Photon Machine Analyte G2) acoplado a un Neptune Plus ICP-MS multicolector (Thermo Scientific). La celda de ablación es del tipo HelEx 2 que tiene la capacidad de evacuar y reemplazar el aire de la cámara de ablación por una atmósfera de helio, reduciendo de esta manera el fraccionamiento elemental. Para maximizar la sensibilidad, se utiliza helio como gas de transporte de la materia ablacionada a una razón de 0.3

l/min (Günther et al., 1999). Para optimizar el análisis de circones el láser opera a 7 Hz y el diámetro de ablaciónutilizado es normalmente de 30 µm (Fig. 2). Para la determinación de los isótopos de U y de Pb se usan copas Faraday y contadores de iones (CCD) de manerasimultánea y estática.

La adquisición de datos se realiza con un tiempo de integración de 1.049s por ciclo. El tiempo total de ablaciónes aproximadamente de 90s (90 ciclos). Los quince primeros ciclos corresponden a una “pre-ablación” y no se utilizan en la reducción de datos, ya que durante este periodo la señal no es muy estable. Por otro lado, esta pre-ablación tiene por propósito eliminar cualquier posible contaminación superficial. Se realiza un blanco de 20s entre cada ablación lo que permite volver a la señal de fondo (background). El ajuste de las condiciones de análisis (flujos, lentes, etc) y de la precisión del ICP-MS se efectúa analizando el circon estándar Plesovice (Slama et al., 2008).

3. Estrategia de reducción de datos

Para reducir los datos, se utilizan tres programas diferentes: Iolite (http://www.iolite.org.au; Paton et al., 2010), ViszualAge (Chew et al., 2014) y Isoplot (Ludwig, 2003).

3.1 Corrección del fraccionamiento

La diferencia de volatilidad entre el uranio y el plomo produce un fraccionamiento elemental durante la ablación (Fig. 2) (e.g, Jeffries et al., 1996).

Figura 2. Señal observada para la ablación del circón estándarPlesovice. Los dos gráficos muestran la variación de las razones isotópicas 207Pb/235U y 207Pb/206Pb durante la ablación.

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AT 1 GeoloGía ReGional y Geodinámica andina

Para corregir este fraccionamiento existen diferentes métodos (e.g., Kosler et al., 2002). En nuestro laboratorioutilizamos la metodología propuesta en el software Iolite y desarrollada por Paton et al. (2010). Esta metodología se basa en la observación del fraccionamiento y su evolución durante el tiempo de ablación para proponer una corrección. De esta forma se analiza un estándar de manera regular y periódica y se establece una curva de corrección (Fig. 3).

Figura 3. Datos para ablación de 90s de circón estándar Plesovice. Razones brutas 206Pb/238U (líneas de colores pálidas)usadas para obtener un valor promedio (línea negra). La razón promedio se usa para calcular una curva para corregir por el fraccionamiento (línea roja).

3.2 Corrección del fraccionamiento de masa

El análisis con espectrometría de masa presenta siempre un desviación entre la razón “real” y la razón medida. La utilización de un estándar externo, es decir un circón bien caracterizado como el estándar 91500 (Wiedenbeck et al., 1995) o Plesovice (Slama et al., 2008) es necesario para corregir esta variación. Además, es importante que los estándares usados tengan una matriz de composición igual al de la muestra. En muchos casos se utiliza un segundo estándar para tener mayor control y realizar una corrección más confiable. El estándar secundario se analiza como un circón desconocido y se utiliza para controlar la precisión del análisis y establecer la estabilidad del equipo.

Para el análisis de circones, se utiliza el método de bracketing que consiste en una secuencia entre circón estándar y circón desconocido. En nuestro caso, la secuencia utilizada es: 2 veces estándar 1, 2 veces estándar 2, 5 desconocidos, 2 veces estándar 1, 2 veces estándar 2, yasi sucesivamente hasta completar el análisis de la muestra.

3.3 La propagación del error

La propagación del error se efectúa con el software Iolite.El procedimiento utiliza los estándares como desconocido y recalcula las razones isotópicas a partir de una curva de regresión (Fig. 4a).

Figura 4. a) Se ilustra una curva de regresión (verde) usada para calcular las edades de los estándares como “estándares pseudo-secundarios” y su respectivo error.b) 28 edades calculadas con Iolite para el estándar Plesovice. Se observan dos barras de error: la más pequeña corresponde al error interno, mientras que la más grande al error total (error internomás propagación).

En Iolite se debe de determinar la mejor regresión para los estándares de tal forma que el MSWD sea cercano a 1(Fig. 4b). La dispersión de los valores calculada para los estándares se propaga posteriormente a los circones desconocidos de la muestra problema.

3.4 Corrección del plomo común

La intensidad de la señal del isótopo de 204Pb permitedeterminar la presencia de plomo común en la muestra. Sin embargo, su determinación es compleja, ya que la cantidad de 204Pb por lo general es baja y por ende la señal de este isótopo es débil. Adicionalmente, existe una interferencia isobárica con el 204Hg. De acuerdo a lo anterior, existen diversas metodologías para corregir por la presencia de Pb común.

El programa VizualAge (Chew et al. 2014), propone la posibilidad de usar con Iolite la metodología desarrolladapor Andersen et al. (2002). Esta corrección se basa en el uso de la ecuación de balance de masa de los isótopos de plomo. La corrección es sensible a la precisión de la medida de la razón 208Pb/232Th. Sin embargo, el análisisde muestras jóvenes presenta dificultades debido a que esta razón es muy baja y por ende el error puede ser muy alto.En aquellos casos en los cuales la metodología propuesta por Andersen et al (2002) no entrega buenos resultados, es posible eliminar aquellos análisis que muestran una alta concentración de 204Pb utilizando el diagram Tera-Wasserburg (Fig. 5).

MSWD=1

a

b

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Figura 5. a) Diagrama Tera-Wasserburg para 42 circones de una muestra magmática de edad miocénica. b) Diagrama Tera-Wasseburg con rechazo de 14 análisis con evidencias de Pb común.

El diagrama Tera–Wasserburg (Fig. 5) muestra un cluster de puntos en la concordia y otros puntos por encima de la concordia. El análisis de la señal indica que parte de los puntos (circones) tienen una alta proporción de Pb comúny una pérdida de Pb radiogénico. Además, todos los puntos con una razón de 207Pb/206Pb>0.07 presentan una intensidad en plomo común más importante o bien una presencia de inclusiones lo que se refleja en una razón de 207Pb/206Pb no estable. La aplicación de la metodología propuesta por Jackson et al. (2004) permite obtener una edad media más acotada y con una menor dispersión (bajo MSWD). En el ejemplo propuesto en la figura 5 la edad obtenida es de 14.28 ±0.38Ma (MSWD=2.2) que es la mejor estimación de la edad de cristalización de esta muestra.

Agradecimientos

El Laboratorio de Geoquímica Isotópica del Centro CEGA está integramente financiado por el proyecto Fondap-Conicyt 15090013 “Centro de Excelencia en Geotermia de los Andes (CEGA)” de la Universidad de Chile. Los autores agradecen el constante apoyo del Centro CEGA en el desarrollo de este laboratorio.

Referencias

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