Datacion Ar-Ar en rocas de grano fino-esquistos

Ar40/Ar39 ages of the greenshist rocks in the Trinidad dome, Escambray complex, Central
Cuba: deformation ages from subduction to exhumation.
Esquisto verde
Ana Ibis Despaigne-Díaz
(www.aigeodynamics.com)
Email: aigeodynamics@gmail.com
METODOLOGÍA DE TRABAJO PARA
DATACIONES DE Ar40/Ar39 EN ROCAS
METAMÓRFICAS DE GRANO FINO
(esquistos verdes).
-Recomendaciones-
ESCAMBRAY : El complejo metamórfico más grande del Caribe (1800 km )
2
CARACTERÍSTICAS
País: CUBA
Provincias: Villa Clara,
Cienfuegos, Sancti Spiritus,
Cuba central
Pico mas alto: Pico San
Juan: 1140 m
Coordenadas:
21° 59´ 05´´ N
80° 07´´57´´ W
Posición de Cuba en la configuración tectónica del mundo
Placa del Caribe
Area: ~3.300.000 km 2
Velocidad: 10-11 mm/year
Borders: North American Plate, South
American plate, Cocos and Nazca plate.
Movement: east
CUBA
Placa de Norte America
QueCuriosidades.com
Area: 76 million km 2 (segunda mas grande del mundo)
Velocidad: 15-25 mm/year
Borders: Cocos Plate, Caribbean Plate, Swan-Cayan transform,
Motagua-Polochic transform zone, Enriquillo-Planteen garden
fault system, Chersky range, Laptev sea rift, Ulakhan fault,
Okhost plate, Aleutian trench, Queen Charlotte fault system,
Cascadia subduction zone, San Andreas fault, East Pacific rise,
Gulf of California, Middle America trench, Juan de la Duca
explorer, Gorda Rivera, Nazca plate. .
Movement: west
(72-100Ma)
(56-66 Ma)
Pangea: 375 Ma
(Paleozoic-early
Mesozoic)
Break off: Early- Middle
Jurassic (175 Ma)
(32 Ma)
(13 Ma)
Variación del estrés con
el desplazamiento de la
Placa Caribe
σ1
σ1
σ1
(Garmont et al., 2017) Figure by K.M. Groom, modified from Malfait and Dinkleman 1972
Lίmites de la Placa Caribe
N-S: Transform
N:
Transform fault Belize-Guatemala
(Motagua
fault)-Honduras,
SwanCayman, Hispaniola, Puerto Rico, Virgen
islands, Puerto Rico trench.
S:
7.686m
(Malfait and Dinkelman, 1972)
Transform dextral fault and
subduction. Interaction with the SAP
forming Barbados Trinidad and Tobago
and island off-coast Venezuela and
Colombia (Mann, 1999)
E-W: Subduction zones
E: Subduction zone in the Lesser Antilles.
The oceanic South America plate
subducts under the Caribbena plate.
W: The Cocos plate subducts beneath
the Caribbean plate and forms the
Central America volcanic arc. The CP is
subducting below both the Panama
Plate and the North Andean Plate
(Malfait and Dinkelman, 1972).
Inserción de la placa Caribe en el espacio Interamericano e interacción con las márgenes continentales
Late Eocene
Pre-late Eocene
Cuba forms part of the
North American plate
(sutured)
Oceanic elements and volcanic
rocks formed part of the leading
edge of the Caribbean plate
(www.ugr.es)
Image
source: http://www.geographynetwork.co
m/ and compilation by García-Casco et al.,
2006 / www.agcasco.ugr.es/personal.
Margenes continentales
Norte: Plataforma de Bahamas
Sur: Margen de Yucatán (Caribeana)
Geología regional de Cuba
Elementos oceánicos
• Arcos volcánicos K
y Paleógeno
• Ofiolitas
Relacionados a la
Placa Caribe
Falla Oriente
.
Geological sketch map of Cuba after Iturralde-Vinent (1996) showing location of the Escambray complex and the Cuban fold and thrust belt
CORTE GEOLOGICO DE CUBA CENTRAL
??
Zona de sutura
La cúpula de Sancti
Spiritus ha sido mas
estudiada y dentro de ella
las unidades de alta
presión (Unidades II y III).
Se conocían datos de
edades geocronológicas
solo de las unidades de
alta presión II y III ( ˷85-65
ma)
(Millán, 1997)
Los trabajos estructurales de detalle comienzan a realizarse en el 2006 (Stanek et al.,
2006). La estructura geológica revela movimiento de los napes hacia el NE en la cúpula de
Sancti Spiritus.
Generalidades de la estructura geológica regional
(similar a la unidad III)
(similar a la unidad II)
Trabajos estructurales de detalle en la cúpula de Trinidad
H
G
(Mapa base Millán y Alvarez-Sanchez, 1992. Modificado con datos de los autores)
Generalidades de la estructura
geológica regional, cúpula de
Trinidad (énfasis en las rocas de
esquistos verdes)
Movimiento tectónico de los napes al N - NE
(Despaigne Díaz et al., 2017)
H
G
Zona de melange de la Loma Santa Lucia
desde Caleta de Muñoz hacia el Colorado
ELEMENTOS ESTRUCTURALES COMUNES A TODOS LOS NAPPES
(LINEACIONES)
Lineaciones de intersección L3
(intersección de las foliaciones S2 y S3)
L3
L3
Nappe La Sierrita
perfil GSR
Nappe Yaguanabo
perfil YG
Lineaciones minerales
actinolita
Nappe La Sierrita
perfil C
ELEMENTOS ESTRUCTURALES COMUNES A TODOS LOS NAPPES
(PLIEGUES)
Plegamiento de S o= Pliegues fase F 1
Plegamiento de S 1= Pliegues fase F 2
Plegamiento de S 2= Pliegues fase F 3
Plegamiento de S 3= Pliegues fase F 4
F1
F2
Nappe La Sierrita
perfil GSR
F3
Nappe Yaguanabo
perfil YG
NE
Nappe La Sierrita
perfil SM
F4
Nappe La Sierrita
perfil SM
Grietas en escalón
ELEMENTOS ESTRUCTURALES COMUNES A TODOS LOS NAPPES
NNW
SSE
SSE
Deformaciones dúctiles-frágiles
(venas en escalón y sigmoidales)
σ3
σ1
Nappe La Sierrita
Perfil SO
Nappe La Sierrita
perfil SO
SE
Ep 215/60°
SE
Riedel fractures
Ep:215/60°
Venas trasnpresivas y micropliegues
ejes muy abruptos
Nappe Monforte
perfil YG
Nappe Río Chiquito
perfil GSR
Corte estructural generalizado de la estructura geológica regional con pliegues volcados
con sentido de movimiento tectónico al N-NE
Perfil C-D
Clivaje paralelo a S2 en
metasedimentos
NE
S2
S3
Indicadores cinemáticos en secciones delgadas orientadas
E
N
Q
500µm
500µm
D
500µm
Pressure fringes en mineral metálico Pressure fringes en mineral metálico
Porfiroclasto de albita rotado
Mica fish
E
NE
qtz
S2
cc
N
Microfalla sintética al movimiento
C
D
S3
0.6 mm
Mica fish en bandas de recristalización
dinámica de cuarzo.
500µm
C
milonita
NAPPE YAGUANABO
NAPPE LA SIERRITA
S2
ph
SS2
2
chl
Mg
Mgchl
chl
S1
ph
grt
Grt
S1
Fe
chl
Fe-chl
qtz
S2
500 µm
Foliación S1 relictica dentro de albita
222 µm
SM-45 (Mg+Al+K+Fe+Si)
Esquisto actinolítico talcoso plegado y
milonitizado.
ep
Ep
qtz
Qtz
(a)
222 m
SM-45:Mn (K+Mg+Fe)
Granates con bordes de retrogresión de clorita.
Foliación S1 y S2
NAPPE RÍO CHIQUITO
Biotita orientada en S2
S3
S2
S2
clorita
S1
biotita
500 µm
S1----mica blanca
T
S2 y S3. Fuerte reorientación de
minerales.
ab
Estructura regional con las deformaciones detectadas en el campo y secciones delgadas
D1-3…dúctil/metamorfismo/subducción-colisión
D4-5 Dúctil-frágil (exhumación)
Clivaje en serpentinitas
foliación en
metasedimentos
(doming process))
Deformaciones dúctiles
ESTIMACIONES DE P-T
D1---- 11 kbar a 400° C (i.e 35-25 km),
D2---- 8-9 kbar , ≥ 400° y hasta 480 °
D3----5 kbar , 150-300°C
D4---- hasta 150°.
D1----Pico metamórfico. Incremento de P y T relacionado a subducción.
D2----Tramo de calentamiento seguido de enfriamiento y retrogresión
relacionado a subducción y colisión.
D3-----Retrogresión y enfriamiento progresivo (exhumación)
Trayectorias P-T unidad III
(Schneider et al., 2004; Stanek et al., 2006)
Trayectorias P-T Samaná, Dominican Republic
(Escuder-Viruete et al., 2011))
(Despaigne-Diaz et al., 2016)
Por que el método de datación Ar40/Ar39 para datar deformaciones????
Presencia de micas crecidas y/o deformadas en varias fases de deformación
(D1-3)……Tienen K (phengitas)
Presencia de micas viejas conservadas dentro de porfiroblastos de albita y/o
dentro de microlitons (D1 micas)
Secciones delgadas con una sola deformación permite datar una deformación
especίfica. Foliación principal (D2)
Diagramas binarios de clasificación de micas para todos los napes
moscovita/paragonita
[KAl2(AlSi3O10)(OH)2] moscovita
6
calcoesquistos
Na = K
esquistos cuarzo micáceos
metabasitas
[NaAl2(AlSi3O10)(OH)2] paragonita
metapelitas
Al (a.p.f.u)
5
rr
Co
Two Tschermak-type substitutions,
SiMg = AlVI + AlIV and SiFe2+ = AlVI + AlIV,
lead
to
the
theoretical
Mgceladonite
[KAlMg(Si4O10)(OH)2]
and
Feceladonite [KAlFe(Si4O10)(OH)2] end-members.
4
i
ac
el
ón
White mica with a chemical composition along the muscovite–
celadonite join is common in metapelites and is referred to
as phengite. If phengite is high in sodium, the celadonite substitution is
usually less pronounced (Guidottti & Sassi, 1976).
l
ea
lin
3
6
6.4
6.8
Si (a.p.f.u)
7.2
7.6
fengita/celadonita
Micas ricas en celadonita con contenidos
de silicio desde 6.32 - 7.3 apfu, Fe= 0.2-0.6,
Mg=0.25 – 1.1, Mg # = (Mg/(Mg+Fe2+)
entre 0.50-0.90. pobres en paragonita con
contenidos de Na ≤ 0.4 apfu
y se clasifican como FENGITAS.
ISÓTOPOS
Átomos que tienen el mismo número atómico, pero
diferente masa atómica. Es decir, contienen el mismo
número de protones pero difieren en el número de
neutrones.
K40
40
Ca
40
Ar
(hyperphysics)
PRINCIPIOS DEL METODO
 Because 39ArK can only be produced by a fast neutron reaction on 39K [ 39K(n,p)39Ar ], all samples dated by
the 40Ar/39Ar technique must be irradiated in the core of a nuclear to convert a stable form of potassium (39K)
into the radioactive 39Ar.
a standard of known age is co-irradiated with unknown samples, it is possible to use a single
measurement of argon isotopes to calculate the 40K/40Ar* ratio, and thus to calculate the age of the
unknown sample.

40Ar*
refers to the radiogenic 40Ar, i.e. the 40Ar produced from radioactive decay of 40K. 40Ar* does
not include atmospheric argon adsorbed to the surface or inherited through diffusion and its
calculated value is derived from measuring the 36Ar (which is assumed to be of atmospheric origin)
and assuming that 40Ar is found in a constant ratio to 36Ar in atmospheric gases.
 The sample is generally crushed and single crystals of a mineral or fragments of rock handselected for analysis. These are then irradiated to produce 39Ar from 39K.
 The sample is then degassed in a high-vacuum mass spectrometer via a laser or resistance furnace.
Heating causes the crystal structure of the mineral (or minerals) to degrade, and, as the sample
melts, trapped gases are released.
For the application of the Ar40/Ar39 method to age
dating it is essential to define a closure temperature.
The closure temperature (blocking)
range of a mineral is the temperature
range over which a mineral changes
from an open system to a closed
system for the isotopes of interest.
CLOSURE
TEMPERATURE
Anfibol
Biotite
Moscovite
Feldespato
K
Any mineral or rock containing K
Temperatura de cierre
Estudiando este ritmo de descomposición del 40K, y la cantidad
de 40Ar contenido en las estructuras cristalinas de la muestra de
roca, en un proceso de enfriado suficiente como para que el
argón radiogénico no se disperse fuera de los cristales, es posible
calcular la data de formación de la roca y una cuantificación en
la espectrometría de masas (es.Wikipedia.org).
Temperatura de cierre de los minerales
330-450°
(Research gate)
(Dengfeng Li et al, 2019)
Consideraciones
Temperatura de cierre de phengitas (350-450° for the 40Ar/39Ar system (Purdy
and Jaeger, 1976; Kirschner and others, 1996, McDougall and Harrison, 1999).
Since temperature during greenschist-facies metamorphism in the studied
units was below the activation temperature for Ar diffusion in phengitic mica
we consider that our 40Ar/39Ar ages correspond to the metamorphic growth of
phengites (D1) near to peak metamorphic conditions (D2) and further
retrogression and/or recrystallization during D3.
CÁLCULO DE LA EDAD
In a metamorphic rock that has not exceeded its
closure temperature the age likely dates the
crystallization of the mineral. Dating Rof movement
λ
on
fault systemsJ is also possible with
the 40Ar/39Ar method.
is the radioactive decay constant of 40K
(approximately 5.5 x 10−10 year−1,
corresponding
to
a
half-life
of
approximately 1.25 billion years),
is
the
J-factor
(parameter
associated
with
the
irradiation
process)
the J parameter must be determined by irradiating the unknown
sample along with a sample of known age for a standard.
is the 40Ar*/39Ar ratio.
The J factor relates to
the fluence of the neutron
bombardment during the
irradiation
process;
a
denser flow of neutron
particles will convert more
atoms of 39K to 39Ar than a
less dense one.
(Stanek et al., 2006 and references therein)
(Mabujina
Complex)
(Yayabo)
Dating of the low grade rocks (unit I) metamorphosed in a green schist
facies gives age of metamorphic peak and thus a better constrain of
the subduction history for these rocks together with the cooling ages
reported in the eclogites of unit III.
(Stanek et al., 2006)
Cluster de eades geocronológicas : 85-65 Ma en
rocas de alta presión y corteza oceánica:
Subducción-exhumación durante K tardío-Terciario
Temperaturas y presiones del metamorfismo en facie de esquistos verdes
(Spear, 1993)
A major advantage of the argon-argon method is that the sample can be heated incrementally. This process, known as "step
heating", provides additional information on the age of the sample (Merrihue and Turner, 1966). Reheating events and
diffusion of argon from the boundaries of the grain can result in lower 40Ar/39Ar ages near the boundaries of the grain. A
more representative age of initial cooling is given by the "plateau age", where the edge effects give way to a
constant 40Ar/39Ar date.
Total fusion ages
A single grain is analyzed in one heating step (total fusión) with a laser
for certain amount of time (in the case of these samples for 1 minute to
guarantee a homogeneous temperature), then the gas is measured with
a mass espectometer.
Total fusion is performed using a laser and results are commonly plotted
on probability distribution diagrams.
Relaciones texturales de los minerales
(micas)
en
cada
muestra
para
determinar estrategia de trabajo,
dificultades.
Aspecto general de un afloramiento (Escambray, Cuba central)
Una foliación marcada en esquistos verdes metavolcánicos
Ab
El estudio de la sección bajo
el microscopio petrográfico
revela la presencia de tres
foliaciones.
S1
S2
S1: contenida dentro de
porfiroblastos de albita (Ab)
S2: plegada en la matriz
S3
S3: Planar axial a los planos
axiales de los pliegues S2.
Ab
S1
Porfiroblasto de albita con
una foliación S1 plegada,
relictica, que no tiene
continuidad en la matrriz S2.
El grano fino de las micas impide hand-picking en la muestra o irradiación con laser in
situ. Se mezclan al moler la muestra (D1-3)
D1, D2 micas
S1
S2
S1
Estrategia de trabajo. Como datar las deformaciones?
Superficies detectadas bajo el microscopio
D1 micas
ph
S2
deformaciones
D1 (S1)
D2 (S2)
D3 (S3)
D1, D2, D3 micas mezcladas
Las muestras con solo la foliación principal S2 permitieron datar
esta deformación con precisión (D2)
Todas
las
muestras tenían
una foliación S2
muy penetrativa
S1
D2 micas
Metodología usada para separar las micas en muestras de grano fino (esquistos verdes)
Relaciones texturales de las micas y las
deformaciones determinadas en cada muestra a
usar en la datación (S1, S2 y S3).
1
Moler la muestra (Se mezclan todas la micas de
diferentes foliaciones).
2
Tamizado en fracciones de 125, 212 y 350 micras
3
Baño de ultrasonido para separar las micas de
otros minerales. Secado en estufa.
4
Separación de micas bajo el microscopio
petrográfico (cristales con mínimo tres capas, sin
inclusiones). De 60-80 granos por muestra.
5
Listas para ser irradiadas!, irradiación, tiempo de
espera para la descomposición del K en Ar. Total
fusion age results.
CURTIN UNIVERSITY, WESTERN AUSTRALIA
Western Australian Argon Isotope Facility
Profesor Fred Jordan
Department of Applied Geology and JdL
Centre
Curtin university of Technology
GPO Box U1987, f.jourdan@curtin.edu.au
List of mineral analysable by 40Ar/39Ar
Micas – muscovite, biotite, phengite.
Feldspars – K-feldspar and plagioclase.
Amphiboles.
Whole rocks – volcanics, slates, phyllites.
Pyroxenes – e.g., found as inclusions in diamonds.
Feldspathoids – leucite, nepheline.
Clays – illite, celadonite.
Sulphates – alunite, jarosite.
Evaporites – sylvite, carnallite, polyhalite, langbeinite.
Glass – obsidian, tektites, pseudotachylite.
Manganese oxides – cryptomelane, hollandite.
Tourmaline - Shorl, Dravite, Elbaite
The 40Ar/39Ar laboratory
Application of 40Ar/39Ar dating technique
- Timing of volcanic eruptions and magmatic episodes.
-
Las muestras
Determining thermal histories of metamorphic rocks.
Were irradiated for 40 hours in the US Geological
Dating igneous rock crystallisation ages and thermal histories.
Survey nuclear reactor
(Denver, USA). The
40Ar/39Ar analyses were performed at the
Dating paleaomagnetic sequences.
Western Australian Argon Isotope Facility at
Determining ages of terrestrial impact craters.
Curtin University. For each sample, a series of
single crystals of phengite were analyzed in one
Dating meteorite and lunar samples.
heating step (total fusion) using a 110 W Spectron
Dating of deformation events.
Laser System, with a continuous Nd-YAG (IR; 1064
nm) laser rastered over the sample for 1 minute
Dating of hydrothermal and alteration events.
to ensure an homogenously distributed
Dating of sediments. Sedimentary provenance studies.
temperature.
Dating of authigenic growth events.
Dating hominid evolution.
Determining ages and thermal events of sandstone feldspar cements.
Ar40/Ar39 en micas de los nappes de
esquistos verdes de la cúpula de
Trinidad, Escambray (total fusion ages)
D1………60.47 ± 0.44 Ma (Pico metamórfico
Paleoceno medio)
D2………56.32
± 0.4 Ma (colisión-exhumación
Paleoceno superior)
D3……… 50-60 (micas muy mezcladasexhumación). Como se resuelve?...evidencias
geológicas…..Paleoceno tardío-Eoceno temprano
(Despaigne-Diaz et al., 2016)
Resultados de edades Ar/Ar (total fusion ages)
Sample
7CF3A
Grains per Weighted mean MSWD
total fusion
sample
ages
7
57.20 ± 1.80
0.28
P
39Ar%
Normal
Isochron*
Inverse
Isochron*
K/Ca 2s
0.95
100
58.34 ± 3.48 58.52 ± 3.47 0.3 ± 7
100
57.00 ± 1.91 56.30 ± 2.41 0.08±0.33
G-102
10
56.7 ± 1.4
0.29
0.98
G-103
13
56.32 ± 0.40
1.23
0.26
G-104
8
58.1 ± 1.1
0.98
0.44
100
58.30 ± 2.59 58.23 ± 2.25 0.48 ±0.5
SM-45
6
60.47 ± 0.64
0.85
0.52
100
56.30 ± 7.87 55.89 ±8.25 8.± 1723
SM-47
11
59.4 ± 0.8
0.9
0.52
62.5
60.49 ± 2.84 56.73 ± 4.35 1.3 ± 3.4
56.8 ± 1.1
0.4
0.80
62.5
60.49 ± 2.84 56.73 ± 4.35 1.3 ± 3.4
40.19 ± 13.29 39.57 ±
0.02±0.1
12.57
56.64 ± 3.91 56.75 ± 3.85
20 ± 46
92.7 56.83 ± 1.32 55.38 ± 1.58 0.67±0.23
SR-65
7
36.7 ± 7
0.64
0.80
100
SR-65b
9
57.4 ± 3
0.48
0.87
100
Appendix 2A
40Ar/39Ar data of all studied samples. All analyses correspond to phengite
* Weighed mean age in (Ma). Sample SM-47 gives two distinct age groups (see text for discussion)
(Despaigne Díaz et al., 2017)
MSWD (PROBABILITY)
0.28 (95%)
The MSWD or Mean Sum Weighted
Deviates is a statistical "goodness-of-fit"
indicator where the higher the MSWD
value, the poorer the line fits the data.
Commonly accepted MSWD values are
less than 2.5.
S2
S1
Resumen de las fases de deformación detectadas en los nappes de
esquistos verdes de la cúpula de Trinidad, Escambray
Deformaciones
D1 (subducción)
Pliegues isoclinales
D2 (colisión-exhumación)
Pliegues asimétricos vergentes y cabalgamientos al
NNE. Serpetinitas cizalladas con foliación paralela a la
foliación S2 en los metasedimentos.
D3 (exhumación progresiva)
Edades
60.47 ± 0.6 Ma
40Ar/39Ar of phengite from the
GSFU (Despaigne-Díaz et al., 2016)
56.8 ± 1.1 Ma
40Ar/39Ar of phengite from the
GSFU (Despaigne-Díaz et al., 2016)
50-56 Ma basado en evidencia geológica
Pliegues volcados al NNE y cizallas conjugadas
D4-5 (exhumación tardía)
Estructuras dúctiles-frágiles, pliegues abiertos, fallas
normales y de strike slip
≤45 Ma basado en evidencia geológica
GSFU: Greenschist facie units
Intervalo de tiempo de las deformaciones de todas las unidades del Escambray
Diagrama P-t de las unidades
de esquistos verdes del
Escambray (unidad tectónica
I), cúpula de Trinidad y las
unidades II (esquistos azules)
y III (eclogitica) de la cúpula
de
Santi
Spiritus.
Comparación
con
el
complejo Samaná, Republica
Dominicana.
Primeros pebbles de HP en
cuencas adyacentes
(Despaigne-Diaz et al., 2016)
Despaigne-Diaz et al., (2017).
Somin and Milla´n
(1981), Hatten and
others (1988, 1989),
Somin and others
(1992), Stanek and
Maresh (2007).
Edades de Ar40/Ar39 de las
unidades de esquistos verdes
del Escambray. Comparación
con las unidades II y III de la
cúpula de SS, la plataforma de
Bahamas y el complejo Samaná,
República Dominicana.
Schneider and others, (2004).
Escuder-Viruete
and others (2011a).
Iturralde-Vinent
others (2008)
and
(Despaigne-Diaz et al., 2016)
Modelo tectónico evolutivo para el Escambray (todas las unidades)
Arrest of volcanic activity
Active volcanic arc
Nape de esquistos verdes
NE
SW
Nape de alta presión
Corteza del Proto Caribe
(Despaigne Diaz et al., 2017)
Contribution to the IGCP Project “Subduction zones of the Caribbean”
Referencias usadas en la
presentación
están
contenidas dentro de los
artículos.