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EL MÉTODO Sm-Nd
Sm-Nd
Nd (Z=60)
Sm (Z=62)
Son elementos del grupo IIIB de la tabla
periódica de los elementos.
Neodimio y Samario pertenecen a las
tierras raras medias (MREE).
Radio iónico:
Nd3+: 1.08°A
Sm3+: 1.04°A
Tabla periódica de los elementos. En rojo se observan los
elementos Nd y Sm, en gris el resto de las tierras raras (REE).
(White, 2003).
La abundancia de Nd en el sistema solar es de
8.36 x 10-1 átomos de Nd por 106 átomos de Si.
La abundancia de Sm es 2.61x10-1 átomos de
Nd por 106 átomos de Si.
La relación de Sm a Nd en rocas terrestres y minerales
varía solamente de 0.1 a 0.5 debido a que la similitud
en sus propiedades geoquímicas inhibe la separación
más extensa de Nd del Sm por procesos geológicos.
Las concentraciones de Sm y Nd en los minerales
silicatados formadores de rocas aumentan en la
secuencia; en la cual, éstos cristalizan a partir del
magma de acuerdo a la serie de reacción de Bowen.
Este incremento se visualiza en la serie que consiste
de olivino, piroxeno (augita), anfíbol, y biotita.
En los feldespatos varía de plagioclasa a feldespato de
potasio.
Los fosfatos apatito y monacita tienen tienen las
concentraciones más altas de Sm y Nd.
La proporción Sm/Nd de la mayoría de los minerales
varía de 0.37 (piroxeno) a 0.15 (feldespatos de K).
Granate tiene una relación Sm/Nd alta (0.54) y (a
veces) bajas concentraciones de Sm y Nd.
Granate y piroxeno son minerales que se utilizan con
preferencia para fechamientos con el método Sm-Nd.
La concentración
de Sm y Nd en
las rocas ígneas
aumenta con el
incremento del
grado de
diferenciación
Las rocas típicas corticales tienen proporciones Sm/Nd
menores que las rocas derivadas del manto superior,
tales como las toleitas.
Cuando los líquidos silicatados se forman por
fusión parcial de las rocas en el manto o en la
corteza de la tierra, la fase líquida es enriquecida en
Nd respecto a Sm (Nd > Sm: Sm/Nd = baja).
La razón es que Nd3+ tiene un radio iónico poco
más grande que Sm3+ lo que le da un potencial
iónico (carga/radio) más bajo que Sm3+. Por lo
tanto, forma enlaces iónicos más débiles que se
rompen más fácil que los de Sm.
Concentraciones de Sm y
Nd en rocas y minerales
Rocas
Concentraciones de
Sm-Nd en rocas y
minerales más
importantes.
Basaltos alc.
Andesitas
Riolitas
Lehrzolitas (sp)
Gabros
Tonalitas
Granodioritas
Granitos
Minerales
Olivino
Cpx
FK
Grt
Ap
Monacita
Sm(ppm) Nd(ppm)
8.1
3.9
4.6
0.6
1.8
4
6.5
8.2
0.07
3.3
3.8
1.2
223
15,000
41.5
20.6
21.6
2.3
3.5
16.8
30
43.8
0.36
9.1
26
2.2
718
88,000
Sm/Nd
0.19
0.36
0.15
0.55
0.31
0.17
87Rb
143Nd
Corteza
87Sr
Manto
87Sr/86Sr
143Nd/144Nd
> 0.7045
<0.512638
147Sm
87Sr/86Sr
143Nd/144Nd
< 0.7045
>0.512638
Radio iónico grande prefiere la corteza
Radio iónico pequeño prefiere el manto
Isótopos de Sm y Nd
Sm
20 isótopos inestables
7 isótopos estables
Nd
19 isótopos inestables
7 isótopos estables
Isótopos de Samario
Abundancia (%)
30
26.70
22.70
25
20
15.00
15
13.80
11.3
10
5
7.40
3.10
0
144
147
148
149
150
152
154
Sm
147Sm
(radiactivo)
Nones son más abundantes
que los pares (excepción
a la regla!)
Masas más grandes
tienen mayor abundancia
e isótopos nones no se
presentan
Isótopos de Neodimio
Nd
Abundancia (%)
30.00
27.13
23.80
25.00
17.19
20.00
12.18
15.00
8.30
10.00
5.76
5.64
148
150
5.00
0.00
142
143
144
145
146
Nd
143Nd
(radiogénico)
Masas menores tienen
mayor abundancia
Isótopos pares son más
abundantes que los
nones
Decaimiento(s)
147Sm
a
143Nd
T1/2= 1.06 X 1011 a ±0.01
l= 6.54 X10-12 a-1
148Sm
a
144Nd
t1/2= 7X1015 a
149Sm
t1/2= 1X 1016 a
a
145Nd
a
144Nd
140Ce
t1/2= 2.1 x 1015a
La abundancia del 144Nd disminuyó en 4.5 Ga
solamente por 0.00015%
150Gd
inestable
1.8 x
106
a
146Sm
inestable
1x
108
a
142Nd
Variación de la vida media de 147Sm a través del año de publicación
El decaimiento de 147Sm y el aumento de 143Nd radiogénico se
describe por la siguiente ecuación:
143Nd
144Nd
( )
143Nd
=
144Nd
i
+
147Sm
144Nd
(
elt
- 1
)
Ecuación de la edad para el método Sm-Nd
t=
1
l
ln
(
143Nd
144Nd
143Nd
-
144Nd
med.
l = 6.54 X
t 1/2 = 1.06
a-1
X1011
a-1
+ 1
147Sm
144Nd
10-12
i
)
med.
Para trazadores se utilizan:
149Sm
c/ 90% de pureza
145Nd
c/92% de pureza
Relación isótopica inicial de 143Nd/144Nd
143Nd
144Nd
=
inic.
143Nd
-
144Nd
med.
* Calculado a partir de la
concentración y abundancias.
147Sm*
144Nd
lt e
(
1
)
EJEMPLOS
La petrogénesis de rocas volcánicas pertenecientes a
los cinturones verdes es importante ya que:
Representan la fuente primaria de lavas máficas de
edad Arqueana.
El origen de las lavas ultramáficas, llamadas
komatitas, las cuales ocurren en cinturones verdes es
importante porque son magmas de alta temperatura, y
su existencia en terrenos Arqueanos ha dado lugar a
la hipótesis de que la temperatura del manto superior
en el periodo Arqueano fue considerablemente más
alta que la del manto moderno.
APLICACIÓNES:
Rocas máficas y sus minerales
Rocas más antiguas que 500-600 Ma.
El Sm-Nd es más estable que Rb-Sr en el caso de
metamorfismo
Rocas lunares y condritas
Edades de metamorfismo de alto grado
en anfibolitas hasta facies granulíticas.
Fechamientos de granate, hornblenda,
piroxeno, plagioclasa, ilmenita y apatito.
Basaltos, komatiítas, anortositas,
peridotitas, andesitas, dioritas y
monzonitas.
Sm-Nd es aplicable a rocas máficas y
ultramáficas, mientras que Rb-Sr es más
aplicable a rocas félsicas e intermedias.
Las REE son menos móviles que los metales
alcalinos y los alcalino-térreos durante el
metamorfismo regional, alteración hidrotermal e
intemperismo químico.
Las rocas pueden ser fechadas confiablemente
por Sm-Nd a pesar de que puedan haber ganado o
perdido Rb y Sr.
87Rb
143Nd
Corteza
87Sr
Manto
87Sr/86Sr
143Nd/144Nd
> 0.7045
<0.512638
147Sm
87Sr/86Sr
143Nd/144Nd
< 0.7045
>0.512638
Radio iónico grande prefiere la corteza
Radio iónico pequeño prefiere el manto
Aplicación en rocas antiguas
Basaltos de
Rhodesia
Isocrona de roca total
afectada por
metamorfismo de
baja temperatura.
No era posible fechar
con Rb-Sr debido a
que durante el
metamorfismo hubo
una redistribución de
Rb y Sr.
Gabro de la
intrusión de
Stillwater,
Montana.
Fechamiento de
minerales Opx, Cpx,
Plg, y roca total.
Roca total: suma de
todos los minerales.
Edad: 2,701± 8 Ma
143Nd/144Nd :
i
0.508248 ± 12.
Se obtuvo la edad de
la intrusión.
Rb-Sr: 2, 200 Ma
(De Paolo).
Comparación de edades obtenidas en la misma roca o formación
por diferentes métodos.
APLICACIONES EN MEXICO
XENOLITOS DEL MANTO EN SLP
(PERIDOTITAS).
XENOLITOS DE LA BASE DE LA
CORTEZA EN SLP (GRANULITAS).
Schaaf et al., Chem.Geol., 1994
Xenolitos de la corteza inferior de SLP
Procesos que provocan una adición o
una pérdida de Sm y/o Nd influyen en el
sistema:
Anfibolitización o la formación de
granates secundarios
Granulitas de SLP tienen una edad de
1,315±85Ma 143Nd/144Nd inicial:
0.51107 ± 17
En base a este estudio se puede decir que el
centro de México tiene un basamento
Grenviliano.
La interpretación de los granates es que
posiblemente son producto secundario, ya
que granate no existe como mineral primario
en la corteza superior.
Las coronas de reacción son producto de
alteración por fluidos.
Evolución isotópica del Nd
La evolución isotópica del Nd
La evolución isotópica del Nd en la tierra está
descrita o referida a un modelo llamado CHUR
(CHONDRITIC UNIFORM RESERVOIR; De
Paolo y Wasserburg, 1976).
Este modelo supone que el Nd terrestre
evolucionó a partir de un almacén o reservorio
uniforme, que tiene una relación de Sm/Nd
igual que los meteoritos condríticos.
De 4.6 Ga hasta hoy, la abundancia del 143Nd
radiogénico ha aumentado, y por lo tanto la
relación 143Nd/144Nd de la tierra ha
incrementado con el tiempo, debido al
decaimiento de 147Sm a 143Nd.
Debido a que el Nd es más incompatible que
Sm, este se concentra más en la corteza que Sm,
de aquí que la corteza tiene la relación
147Sm/144Nd más baja y el manto tiene una
relación 147Sm/144Nd mas alta.
Con el tiempo esto conduce a una baja
relación 143Nd/144Nd en la corteza
(formada hace 3.5 Ga) y una alta relación
143Nd/144Nd en el manto.
Evolución isotópica del Nd en el manto y en la corteza.
Línea más negra
muestra la
evolución de la
tierra total o del
CHUR.
Inicio de la separación del
manto en manto superior
empobrecido) y manto inferior
Tiempo en Ga
También se
muestra la
evolución de la
corteza creada hace
3.5 Ga, el manto
residual y la
evolución de un
manto
continuamente
empobrecido
eNd=0
Alto
Sm/Nd
Bajo
Sm/Nd
Tiempo en Ga
Sugiere que las
rocas se
formaron a
partir de un
almacén con
un patrón
condrítico, el
cual puede
representar
material
primario
remanente
desde la
formación de
la tierra.
Evolución de la tierra total, corteza, y manto. 143Nd/144Nd es
transformado a eNd.
El parámetro e-Nd
143Nd
eNd=
144Nd
143Nd
-
1
143Nd
144Nd
CHUR
M
CHUR
= 0.512638
144Nd
147Sm
144Nd
= 0.1936 (Lugmair, 1974)
= 0.1967 (Faure, 1986)
X 104
El parámetro e-Nd inicial
143Nd
eNdi=
144Nd
143Nd
144Nd
CHUR
143Nd
Muestra in
-
1
CHURi
= 0.512638
144Nd
147Sm
144Nd
= 0.1936 (Lugmair, 1974)
= 0.1967 (Faure, 1986)
X 104
eNd
Es una notación en la que la relación isotópica 143Nd/144Nd
inicial se representa como una desviación relativa en partes por
10,000 del parámetro CHUR.
El parámetro eNd no depende de diferentes valores (146Nd/144Nd
o 146Nd/142Nd) para la corrección por fraccionamiento
(resultando en diferentes valores para 143Nd/144Nd en la misma
muestra).
Las variaciones pequeñas de 143Nd/144Nd (cambios solamente a
partir del cuarto dígito) se reflejan mejor usando eNd.
eNd >0 indica que el Nd de la roca se derivó
de un almacén (fuente empobrecida) con una
relación Sm/Nd mayor que la relación
condrítica (CHUR).
eNd <0 indica que el Nd de la roca se derivó
de un almacen (fuente enriquecida; córtical)
con una relación Sm/Nd más baja que CHUR.
Variaciones de e Nd
Lherzolita de espinela
+9.5
-
+7
MORB
+10
-
+5
OIB
+8
-
+4
Plagio-Granitos
(granodioritas)
Granitos I
+6
-
+3
+3
-
-6
Granitos S
-6
-
-30
EDADES MODELO
La edades modelo representan la edad de
diferenciación o la edad de separación del
Nd del reservorio (DM/CHUR).
También representan el tiempo promedio
de residencia en la corteza.
Las edades modelo representan el tiempo
transcurrido desde que la relación 143Nd/144Nd
de la roca era igual a la relación 143Nd/144Nd
del CHUR o bien del DM.
Estas edades son válidas siempre que la
relación Sm/Nd de la roca no haya sido
alterada por procesos geológicos en la corteza.
Edad modelo
tNd =
1
l
ln
(
143Nd
144Nd
m
147Sm
144Nd
143Nd
-
144Nd
+ 1
-
m
CHUR/DM
147Sm
144Nd
DM: Tiene varios parámetros
)
CHUR/DM
Parámetros del manto empobrecido (DM)
143Nd/144Nd
147Sm/144Nd
Goldstein et
al., 1984
0.51316
0.214
Michard et
al., 1985
0.513114 0.222
Liew &
0.513151 0.219
Hoffman,
1988
Schaaf et al., 0.513089 0.2128
1990 (SLPMex)
TNd CHUR
3.86 Ga
2.5 Ga
3.1 Ga
3.56 Ga
Cálculo de
edades modelo:
Edad de
residencia de
los magmas en
la corteza.
Edades modelo en rocas sedimentarias
Las edades modelo de las rocas clásticas
sedimentarias (p. ej. Lutitas), son similares a
las edades de las rocas de las cuales se
derivaron estos detritos (ígneas o
metamórficas), por esta razón las edades SmNd comúnmente exceden su edad
estratigráfica.
Las edades de residencia de las rocas
sedimentarias del proterozoico
(2,500-570 Ma) son generalmente
mayores a su edad de depositación, lo
que nos indica que estos detritos
están compuestos principalmente de
material cortical reciclado que se
separó del CHUR mucho tiempo
antes de que se depositara como
sedimento.
Las edades modelo
generalmente son
interpreteadas como edades de
residencia cortical, que
generalmente exceden las
edades estratigráficas de rocas
sedimentarias formadas
después de 2 Ga. Antes de esta
edad, las edades de residencia
presentan una correspondencia
con las edades estratigráficas,
debido a que las rocas
sedimentarias de edad
Precámbrico temprano
estuvieron compuestas de
material que se derivó de un
almacén condrítico en el
manto, solo poco tiempo antes
de su depositación.
La diferencia entre las edades de
residencia y la edad de depositación
disminuye cuando detritos jóvenes de
origen volcánico se mezclan con
terrígenos de rocas antiguas.
*
MODELOS DE LA TIERRA BASADOS
EN DATOS ISOTÓPICOS DE BASALTOS.
Modelo
terrestre
basado en
datos
isotópicos
obtenidos en
basaltos.
La composición
isotópica del manto
empobrecido puede
cambiar por
transferencia de material
de la corteza o del
manto inferior
primitivo.
La composición isotópica de Sr y Nd en sedimentos
oceánicos varía regionalmente entre los mayores
oceános del mundo porque esta depende de la edad y de
las relaciones Sm/Nd de las rocas que los ríos drenan
hasta sus cuencas.
Sedimentos de la cuenca del Pacífico tienen relaciones
isotópicas de 143Nd/144Nd mayores y menores de
87Sr/86Sr comparados con valores del Océano Atlántico.
Ríos que drenan hacia el Pacífico están erosionando
corteza continental joven comparada con la que están
erosionando los ríos que drenan el Atlántico.
Sumario
Sm- Nd pertenecen a las tierras raras.
Las rocas ultramáficas y máficas tienen una
relación Sm/Nd más alta que las rocas
intermedias y félsicas.
Los fechamientos por Sm-Nd son apropiados
debido a que Sm y Nd son menos suceptibles
al intemperismo, alteración hidrotermal, etc.
comparados con Rb y Sr.
Sumario
La evolución isotópica del Nd en la tierra está
descrita o referida a un modelo llamado CHUR
(CHONDRITIC UNIFORM RESERVOIR; De
Paolo y Wasserburg, 1976).
Este modelo supone que el Nd terrestre
evolucionó a partir de un almacén o reservorio
uniforme, que tiene una relación de Sm/Nd
igual que los meteoritos condríticos.
Sumario
eNd >0 indica que la roca (Nd) se derivó
de un almacén (fuente empobrecida) con
una relación Sm/Nd mayor que la relación
condrítica (CHUR).
Valores negativos indican que el Nd proviene de
una fuente enriquecida, la cual tiene una relación
Sm/Nd más baja que el CHUR.
Las edades modelo representan el tiempo
transcurrido desde que el Nd en una muestra
de roca tuvo la misma composición isotópica
que el CHUR.
La validez de esta edad depende de la
premisa de que la relación Sm/Nd no fue
alterada por procesos geológicos en la corteza.
Las edades modelo pueden ser interpretadas
como estimaciones válidas de tiempo de
residencia.
Aplicación de
Sr-Nd combinados
Los cuatro cuadrantes del diagrama Sr-Nd
Factor de enriquecimiento: parámetro f
fSm = (147Sm/144Nd)
(147Sm/144Nd)
- 1
CHUR
fRb = (87Rb/86Sr)
(87Rb/86Sr)
- 1
UR
Cuadrante I: f Sm >0, fRb>0
Estas rocas son originadas en fuentes
donde Sm/Nd y Rb/Sr son más
grandes que sus respectivos valores
del CHUR y UR (muy raro).
Cuadrante II: Contiene el arreglo del
manto.
Las fuentes de este cuadrante
contienen relaciones Sm/Nd >CHUR
(fSm > 0) y relaciones Rb/Sr mas
bajas que el UR (fRb<0).
Cuadrante III: fSm <0, fRb <0
En escocia existen basaltos provenientes del
manto que están contaminados con
granulitas con bajo eNd y bajo 87Sr/86Sr. Se
ha calculado hasta 50% de contaminación
Cuadrante IV: Enriquecido en Rb (fRb
>0) y empobrecido en Sm (fSm<0).
Generalmente rocas de la corteza
continental.
El arreglo del manto
Magmatismo de Arco
Continental
Figure 17-1. Map of western South America showing
the plate tectonic framework, and the distribution of
volcanics and crustal types. NVZ, CVZ, and SVZ are
the northern, central, and southern volcanic zones.
After Thorpe and Francis (1979) Tectonophys., 57, 5370; Thorpe et al. (1982) In R. S. Thorpe (ed.), (1982).
Andesites. Orogenic Andesites and Related Rocks. John
Wiley & Sons. New York, pp. 188-205; and Harmon et
al. (1984) J. Geol. Soc. London, 141, 803-822. Winter
(2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic
Petrology. Prentice Hall.
Magmatismo de Arco Continental
Figure 17-6. Sr vs. Nd isotopic ratios for the three zones of the Andes. Data from James et al. (1976), Hawkesworth et al. (1979), James
(1982), Harmon et al. (1984), Frey et al. (1984), Thorpe et al. (1984), Hickey et al. (1986), Hildreth and Moorbath (1988), Geist (pers.
comm), Davidson (pers. comm.), Wörner et al. (1988), Walker et al. (1991), deSilva (1991), Kay et al. (1991), Davidson and deSilva
(1992). Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.
Variaciones isotópicas de Sr y Nd en rocas de arcos volcánicos
87Sr/86Sr
Variaciones de
143Nd/144Nd
En MORB, OIB y
CVA
Modelos de mezcla
143Nd/144Nd
Mezcla binaria
0.5131
0.513
0.5129
0.5128
0.5127
0.5126
0.5125
0.5124
0.5123
0.5122
0.5121
0.512
Componente B
Basalto
0.2
0.4
0.6
0.8
Componente A
Granito
0.700 0.705 0.710 0.715 0.720 0.725 0.730 0.735 0.740
87Sr/86Sr
Componente A Componente B
Sr
160
318
87Sr/86Sr
0.73691
0.70362
Nd
31
18
143Nd/144Nd
0.51212
0.513
0.5131
0.513
0.5129
0.5128
86Sr/87SrM 143Nd/144NdM
0
0.70362
0.513
0.2 0.707339553
0.512735146
0.4 0.711981695
0.512529655
0.6 0.71793828
0.512365581
0.8 0.725859666
0.512231549
1
0.73691
0.51212
Hiperbolas de
mezcla
formadas por
la
combinación
de rocas de la
corteza
continental
con basaltos
tholeiticos en
proporciones
variables.
Relaciones
isotópicas
de Nd y Sr
en rocas
graníticas
de la
corteza
continental.
Composiciones isotópicas de
Sr y Nd de rocas graníticas
de la Sierra Nevada y Sierras
peninsulares de California.
La curva representa
mezclas de esquistos
precámbricos,
dentro de los cuales
el batolito de la
Sierra Nevada fue
intrusionado.
Valores de eNd y eSr de
rocas graníticas y xenolitos
de los batolitos de Berridale
y Kosciusko del sureste de
Australia.
Los granitos tipo S y tipo I
comparten la misma línea
de mezcla indicando que
ambos son mezcla de dos
componentes derivados de
un manto empobrecido y
de la corteza continental.
Aplicaciones de los isotópos de Sr-Nd en
México
Cinturón Volcánico Mexicano
CVM
MORB
Volcán de Colima y su relación con rocas corticales, sedimentos y basaltos tipo MORB
Nevado de Toluca
Rocas
derivadas de
una fuente tipo
MORB,
afectadas por
una ligera
contaminación
con material
cortical de
edad
Grenviliana
(1.3 Ga).
Martínez-Serrano et al., 2004
Volcán Popocatépetl
Datos químicos
e isotópicos
sugieren el
almacenamiento
de los magmas
del Volcán
Popocatépetl en
una corteza
compuesta por
calizas de edad
Cretácica.
Schaaf et al., 2005
Comparación de datos del Volcán Nevado de Toluca y los
xenolitos encontrados en las lavas del volcán Popocatépetl.
Schaaf et al., 2005
87Sr/86Sr
Schaaf et al., 2001