La datación por el método de
trazas de fisión.
Aplicaciones a la
exploración minera y petrolera
Mélanie Noury
Plan
• Bases de la termocronología de baja
temperatura
• Análisis por trazas de fisión
• Aplicaciones de las trazas de fisión a la
industria petrolera
• Aplicaciones de la termocronología a la
industria minera
Bases de la termocronología de
baja temperatura
Termocronómetros
Ehlers, 2001
Termocronómetros de baja
temperatura
75 °C
350 °C
Ehlers, 2001
Porqué utilizar la termocronología de
baja temperatura ?
Clima
Erosión
Tectonica
Sedimentación
Porqué utilizar la termocronología de
baja temperatura ?
• Los datos termocronologicos son relacionados
con :
– La transmisión del calor en la corteza superior
– Los procesos que cambian la estructura termal de
la corteza superior, como :
•
•
•
•
•
•
Geodinamica/tectónica de placas
Tectonica (fallamiento)
Erosión
Flujos de fluidos
Topografía/relieve
Volcanismo
Porqué utilizar la termocronología de
baja temperatura ?
• Historia tiempo-temperatura de las rocas
• Historia de la exhumación (inicio, duración y
cuantificación)
• Desarrollo del relieve
• Historia termal de las cuencas sedimentarias
• Análisis de las fuentes sedimentarias
Geocronología
• Utiliza la radioactividad natural
para fechar “absolutamente”:
N d  N d0  N p (e
lt
 1)
• Nd cantidad del isótopo hijo al
tiempo t ,
• Nd0 cantidad inicial del
isótopo hijo,
• Np cantidad del isótopo padre
• l constante de decaimiento.
Parent
Daughter
87Rb
87Sr
147Sm
143Nd
235-238U-232Th
206-8Pb
40K
40Ar
39Ar
40Ar
176Lu
176Hf
+ 4He
Geochronología
• Utiliza la radioactividad natural
para fechar “absolutamente”:
 N d  N d 0  
t  ln 
 1
l 
Np

Parent
Daughter
87Rb
87Sr
147Sm
143Nd
1
• Nd cantidad del isótopo hijo al
tiempo t ,
• Nd0 cantidad inicial del
isótopo hijo,
• Np cantidad del isótopo padre
• l constante de decaimiento.
235-238U-232Th
206-8Pb
40K
40Ar
39Ar
40Ar
176Lu
176Hf
+ 4He
Temperatura de cierre
El decaimiento radioactivo en un sistema abierto
40K
t
40Ar
Por la alta
temperatura, el isótopo
hijo se difunde al
exterior del sistema (el
cristal).
Braun et al., 2006
Temperatura de cierre
El decaimiento radioactivo en un sistema cerrado
40K
t
40Ar
La temperatura es suficientemente baja para que el isótopo
hijo esté completamente retenido dentro del mineral:
En cada momento, la cantidad del isótopo hijo es una
función del tiempo y de la cantidad inicial.
Braun et al., 2006
Termocronómetros
Ehlers, 2001
Termochronología
Multiple-method thermochronology
Un enfriamiento
monótono permite una
interpretación simple
de las edades
termocronologicas.
Rápido
Lento
Termocronología
40K
t
40Ar
Un recalentamiento puede parcialemente reiniciar el
termocronómetro y reconstruír la historia será más
Braun et al., 2006
difícil.
Análisis por trazas de fisión
¿ Qué es una traza de fisión ?
Fleischer et al. (1975)
Formada por fisión
espontánea del 238U que
daña la red cristalina
• Minerales utilizados :
apatita, zircon, titanita
¿ Qué es una traza de fisión ?
¿ Qué es una traza de fisión ?
Formación de las trazas :
función lineal del tiempo
t1/2 para la fisión espontanea
del 238U  91015 años
= 9 millión de billones de
años
Se puede determinar la edad
de una muestra conociendo
la densidad de trazas y su
concentración en uranio.
¿ Qué es una traza de fisión ?
Trazas de fisión en un zircon
• Las trazas son
orientadas
aleatoriamente
• Las trazas de fisión se
pueden observar con un
microscopio solamente
después de un ataque
químico
Mostrear
6-8 kg de roca.
500 g. si tenemos una
fraccion densa
Preparación de las muestras
• Pulverización de las
rocas
• Tamización 100-200 µm
• Separación mineral
(mesa vibrante)
Separación mineral
Separación mineral
Apatitas y zircones separados
Apatitas
Zircones
Montar los zircones en Teflon®
Hot plate for zircon mounting Zircon grains mounted in Teflon®
Montar las apatitas en epoxy
Montaje de apatita
Pulimiento
• Zircon o apatita con
trazas latentes
(invisibles)
• Montar los granos en
epoxy o Teflon®
• Pulir para exponer
una superficie interna
Pulimiento
6 etapas
Revelar las trazas
Ataque quimico
• Ataque quimico para
revelar las trazas
– Apatitas : 20s a 28°C en
HNO3
– Zircones : varias horas a
228°C en NaOH+KOH.
• El ataque quimico es
mas rapido en las
partes defectuosas del
mineral como las trazas
Revelar las trazas
• Ataque quimico para
revelar las trazas
– Apatitas : 20s a 28°C en
HNO3
– Zircones : varias horas a
228°C en NaOH+KOH.
• El ataque quimico es
mas rapido en las
partes defectuosas del
mineral como las trazas
Revelar las trazas
Revelar las trazas
Contando las trazas se puede conocer la
cantidad de fisiones que se producieron
desde el cierre del sistema.
¡ Pero no se conoce la cantidad inicial de
atomos padres !
¿ Qué hacer ?
El método del detector externo
• Trazas atacadas
visibles en la
superficie del grano
muscovite sheet
• Poner en la superficie
un detector externo
que no contiene
uranio
=> Mica blanco
El método del detector externo
El método del detector externo
muscovite sheet
muscovite sheet
• Determinación del
contenido en U
utilizando el 235U
• La proporción entre
238U y 235U es estable
en el universo
(7.2527x10-3)
• Irradiación con
neutrones
El método del detector externo
• Se produce una fisión
inducida de los
atomos de 235U en el
grano
• Formación de trazas
inducidas en el mica
y en el grano
El método del detector externo
• Ataque quimico de
las trazas inducidas
en el mica durante
la irradiación con HF
a 48% durante 18
min a 20°C.
El método del detector externo
Montaje
Grano
Mica
Mica
El método del detector externo
• Microscopio con luz
transmitida y reflejada
• Plataforma X-Y
automatizada
• Tableta de digitalizar
• Computadora
• (Camara digital)
El método del detector externo
• Recuento de las trazas
espontaneas en los
granos
> rs (densidad de trazas
espontaneas )
• Recuento de las trazas
inducidas en la mica
> ri (densidad de trazas
inducidas)
El método del detector externo
é l cj s I r ù
s
t = ln ê1+
ú
l êë
l f ri úû
1
l: decay constant of 238U (4.47 x 109 y)
lf: fission decay constant of 238U (8.2 x 1015 y)
F : neutron flux
s : cross section of neutron capture (580.2 x 10-24 cm2)
c: geometry factor (0.5)
I: 238U/235U ratio (7.2527x10-3)
rs, ri: density of spontaneous and induced tracks
El método del detector externo
é l cj s I r ù
s
t = ln ê1+
ú
l êë
l f ri úû
1
Así se conoce el tiempo t desde cúal la muestra
pasó la temperatura de cierre del sistema
¡ Pero un recalentamiento puede parcialmente
reiniciar el termocronometro !
Cicatrización de las trazas
La temperatura aumenta => Las trazas cicatrizan
Cicatrización de las trazas
Trazas
nuevas
Trazas viejas
La temperatura baja => Nuevas trazas (largas)
Cicatrización de las trazas
Las trazas se acortan hasta
disaparecer
por
la
cicatrización de la red
mineral a alta temperatura.
ZCP
Cicatrización de las trazas
Las trazas se acortan hasta
disaparecer
por
la
cicatrización de la red
mineral a alta temperatura.
ZCP
Zona de
cicatrización parcial
Cicatrización de las trazas
Las trazas se acortan hasta
disaparecer
por
la
cicatrización de la red
mineral a alta temperatura.
Es un processo non-lineal,
fuertamente dependiente de
la temperatura
ZCP
Se puede hacer modelos
numericos para estudiar la
historia termica de las
muestras.
Trazas confinadas y horizontales
Trazas confinadas y horizontales
Cálculo de las longitudes de trazas
Enfriamiento continuo
Enfriamiento rapido
ZCP
Trazas largas
ZCP
Distribución
asimetrica
Gallagher et al., 1998
Cálculo de las longitudes de trazas
Enfriamiento
Calentamiento
Calentamiento continuo
PAZ
PAZ
Trazas cortas
Gallagher et al., 1998
Distribución
bimodal
Perfiles edad / altitud
Enfriamiento rapido
PAZ
Trazas largas
Gallagher et al., 1998
Perfiles edad / altitud
Enfriamiento continuo
PAZ
Distribución
asimetrica
Gallagher et al., 1998
Aplicaciones de las trazas de
fisión a la industria petrolera
Termocronómetros y formación de
hidrocarburos
AFT
ZCP
ZFT
ZCP
Trazas de fisión y exploración
petrolera
• El « AFTA » permite definir las areas donde la fase
principal de formación de hydrocarburos sucede
a la formación de las estructuras trampas.
=> Mapas de las areas más favorables a la
preservación de hidrocarburos
• Se puede saber si se tiene diferentes episodios
termicos
=> Probabilidades de encontrar hidrocarburos
acumulados y preservados hasta ahora.
La cuenca Otway, Australia
Stratigraphic
age
Green et al., 2004
La cuenca Otway, Australia
Diminución de las edades
con la temperatura
Di
Stratigraphic
age
Green et al., 2004
La cuenca Otway, Australia
Datos reales
Green et al., 2004
La cuenca Otway, Australia
Datos reales
Lo que se debería
encontrar si
hubiera solamente
soterramiento
Green et al., 2004
La cuenca Otway, Australia
Datos reales
Lo que se deberia
encontrar si
hubiera solamente
soterramiento
Las trazas son más cortas que los valores que
deberíamos encontrar.
 Esta muestra ha sido más caliente en el pasado
Green et al., 2004
La cuenca Otway, Australia
Historia termica
calculada si
hubiera solamente
soterramiento
Green et al., 2004
La cuenca Otway, Australia
Historia termica
modelizada en
base a los datos
reales
Green et al., 2004
La cuenca Otway, Australia
Ventana de petroleo
Las rocas madres
que han alcanzado
la ventana de
petroleo tuvieron
que depositarse
antes de ~100 Ma
La generación de
petroleo ocurrió
sólo entre 90 y 80
Ma.
Green et al., 2004
Aplicaciones de la
termocronología a la industria
minera
Termocronómetros y procesos
geológicos
Hypogénico
Supergénico
McInnes et al, 2005
Temperatura y solubilidad del Cu
Solubilidad de
la calcopirita
en NaCl en
función de la
temperatura y
presión.
Liu & McPhail, 2005
Temperatura y solubilidad del Cu
Cuando la
temperatura
es alta, el
cobre no se
deposita.
Liu & McPhail, 2005
Temperatura y solubilidad del Cu
McInnes et al, 2005
Si la temperatura del fluido hidrotermal baja muy
rapidamente :
=> Los sulfuros de Cu se depositan cerca de la fuente
del fluido y en un pequeño volumen de roca
Temperatura y solubilidad del Cu
McInnes et al, 2005
En cambio, si la temperatura del fluido no baja
rapidamente al traversar la roca, va a generar un
halo más grande y con menos concentración de
cobre.
Ejemplos en el mundo
Karman Belt, Iran
Indonesia
La termocronologia en la industria
minera
McInnes et al, 2005
La termocronologia en la industria
minera
Enfriamiento por exhumación
McInnes et al, 2005
La termocronologia en la industria
minera
McInnes et al, 2005
La termocronologia en la industria
minera
Con trazas de fisión y
otros metodos, se
puede modelizar la
profundidad donde se
emplazaron los
depositos
Pequeño
diametro, alta
concentración
McInnes et al, 2005
La termocronologia en la industria
minera
Con trazas de fisión y
otros metodos, se
puede modelizar la
profundidad donde se
emplazaron los
depositos
Gran
diametro,
baja
concentracion
McInnes et al, 2005
Temperatura y solubilidad del Cu
McInnes et al, 2005
La termocronologia en la industria
minera
Con trazas de fisión y
otros metodos, se
puede modelizar la
profundidad donde se
emplazaron los
depositos,
su tasa de exhumación
y luego lo que ha sido
erosionado.
Espesor del deposito
que ha sido erosionado
McInnes et al, 2005
La termocronologia en la industria
minera
Reconstruir la tasa de exhumación de una
area mineralizada tiene implicaciones para
la explotación.
Permite saber mas o menos en cuanto el
deposito primario fue erosionado.
y luego la posibilidad de encontrar
depósitos segundarios exóticos.
La termocronologia en la industria
minera
No ha podido
generar
un
deposito
secundario
exótico
Espesor del deposito
que ha sido erosionado
La termocronologia en la industria
minera
Sí ha podido
generar
un
deposito
secundario
exótico
Espesor del deposito
que ha sido erosionado
Conclusiones
• Termocronología permite reconstruir las
historias tiempo – temperatura de las rocas
• El concepto de « temperatura de cierre » es
clave => se fecha cuando las rocas pasaron un
isotermo dado
Conclusiones
• El metódo de trazas de fisión sobre apatitas y
zircones permite fechar los isotermos 100°C y
200°C
• Arriba de estas temperaturas, las trazas
cicatrizan.
• Como no es un efecto instantáneo, se puede
utilizar las longitudes de las trazas para calcular el
camino tiempo-temperatura de la roca
Conclusiones
• Con este metódo, se puede :
- fechar la formación del petroleo en una area
- suponer el diametro de depositos
hidrotermales y sus concentraciones
- saber si se puede encontrar depositos
secundarios exoticos generados por el
deposito primerio
¡ Muchas gracias !
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ZCP - ISTerre