Datación de uranio-plomo

La datación con uranio-plomo, abreviada datación U-Pb, es uno de los esquemas de datación radiométrica más antiguos y refinados. Se puede usar para fechar rocas que se formaron y cristalizaron hace aproximadamente 1 millón de años hasta hace más de 4500 millones de años con precisiones de rutina en el rango de 0,1 a 1 por ciento.

El método generalmente se aplica al circón. Este mineral incorpora átomos de uranio y torio en su estructura cristalina, pero rechaza fuertemente el plomo cuando se forma. Como resultado, los depósitos 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 descompone en plomo, la proporción actual de plomo a uranio en una muestra del mineral se puede utilizar para determinar de forma fiable su edad.

El método se basa en dos cadenas de desintegración separadas, la serie de uranio de U a Pb, con una vida media de 4470 millones de años, y la serie de actinio de U a Pb, con una vida media de 710 millones de años.

Rutas de descomposición

El uranio se desintegra para convertirse en plomo a través de una serie de desintegraciones alfa (y beta), en las que U con nucleidos hijos sufre un total de ocho desintegraciones alfa y seis beta, mientras que U con hijas solo experimenta siete desintegraciones alfa y cuatro beta.

La existencia de dos rutas de desintegración uranio-plomo 'paralelas' ( U a Pb y U a Pb) conduce a múltiples técnicas de datación dentro del sistema general U-Pb. El término datación U-Pb normalmente implica el uso combinado de ambos esquemas de descomposición en el 'diagrama de concordia' (ver más abajo).

Sin embargo, el uso de un solo esquema de descomposición (generalmente de U a Pb) conduce al método de datación isócrona U-Pb, análogo al método de datación rubidio-estroncio.

Finalmente, las edades también se pueden determinar a partir del sistema U-Pb mediante el análisis de las proporciones de isótopos de Pb solo. Esto 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 y plomo, lo utilizó para obtener una de las primeras estimaciones de la edad de la Tierra.

Mineralogía

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

Cuando no se encuentran cristales como el circón con inclusiones de uranio y torio, también se han aplicado técnicas de datación con uranio-plomo a otros minerales como la calcita/aragonita y otros minerales carbonatados. Estos tipos de minerales a menudo producen edades de menor precisión que los minerales ígneos y metamórficos usados ​​tradicionalmente para la datación, pero son más comunes en el registro geológico.

Mecanismo

Durante los pasos de desintegración alfa, el cristal de circón experimenta daño por radiación, asociado con cada desintegración alfa. Este daño está más concentrado alrededor del isótopo padre (U y Th), expulsando al isótopo hijo (Pb) de su posición original en la red de 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. Las huellas de fisión y las microfisuras dentro del cristal ampliarán aún más esta red de daños por radiación.

Estas huellas de fisión actúan como conductos en las profundidades del cristal, proporcionando un método de transporte para facilitar la lixiviación de los isótopos de plomo del cristal de circón.

Cálculo

En condiciones en las que no se ha producido ninguna pérdida o ganancia de plomo del entorno exterior, la edad del circón se puede calcular suponiendo una descomposición exponencial del uranio. Es decir

donde

Esto da

que se puede escribir como

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

( 1 )

( 2 )

Se dice que estos producen edades concordantes (t de cada ecuación 1 y 2). Son estas edades concordantes, trazadas en una serie de intervalos de tiempo, las que dan como resultado la línea concordante.

La pérdida (fuga) de plomo de la muestra dará como resultado una discrepancia en las edades determinadas por cada esquema de descomposición. 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 concordia y la línea discordia reflejarán la edad original de formación, mientras que la intersección inferior reflejará la edad del evento que condujo 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 intercepción más bajas.

Figura 1: diagrama de Concordia para datos publicados por Mattinson para muestras de circón de las montañas Klamath en el norte de California. Las edades de la concordia aumentan en incrementos de 100 millones de años.

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 las zonas de uranio muy alto puede reducir esta temperatura sustancialmente. El circón es muy inerte químicamente y resistente a la meteorización mecánica, una bendición mixta para los geocronólogos, ya que las zonas o incluso los cristales enteros pueden sobrevivir al derretimiento de su roca madre con su edad original de uranio-plomo intacta. Los cristales de circón con historias prolongadas y complejas pueden contener zonas de edades dramáticamente diferentes (generalmente, con las zonas más antiguas y más jóvenes formando el núcleo y el borde, respectivamente, del cristal) y, por lo tanto, se dice que demuestran características heredadas. Desentrañar tales complicaciones (que, dependiendo de su temperatura máxima de retención de plomo,