Integrated (theoretical, experimental and petrological) study of the stability of zircon and its isotopic systems at dry high-T and hydrothermal medium- to low-T conditions

Resumen

El zircón es uno de los minerales más estudiados en Ciencias de la Tierra debido a su presencia en una gran diversidad de rocas, su papel clave en la distribución de elementos traza incompatibles muy importantes, como U, Th, Y, Hf y las tierras raras (REE), su aplicación generalizada en geocronología de U-Th-Pb y en la determinación de fuentes magmáticas a través de la firma de sus isótopos de oxígeno y hafnio. Su notable resistencia mecánica y química permite realizar todos estos estudios. Sin embargo, la estabilidad del zircón y su comportamiento geoquímico en condiciones ambientales muy diferentes a las de su formación aún no se conocen bien. Por otro lado, para una mejor comprensión de la información geocronológica y geoquímica registrada en el zircón, es necesario conocer los mecanismos que permiten la herencia de zircón en granitos y la formación de zircón en magmas máficos calientes que generalmente están subsaturados en esta fase mineral. Esta Tesis Doctoral pretende profundizar en el conocimiento de la estabilidad del zircón y su comportamiento geoquímico en condiciones de T extremadamente alta, como las que se producen durante los procesos de asimilación en magmas básicos que pueden dar lugar a la inclusión de xenocristales de zircón en minerales máficos acumulados, y en ambientes hidrotermales, donde puede ser una fuente de elementos traza para la génesis de yacimientos minerales. Estos objetivos se han logrado realizando experimentos de annealing con un horno tubular, por una parte, e hidrotermales con bombas de teflón y, una autoclave, por otra. Además, se modelan numéricamente los parámetros que controlan la herencia del zircón en magmas graníticos y los mecanismos de cristalización de zircón en magmas máficos con bajo contenido en Zr. Para los experimentos se han utilizado tres muestras de concentrados de zircón, elegidos en base a su morfología y grado de metamictización. Las muestras son: (i) el ortogneis cambro-ordovícico SAB50 con zircones escasamente metamícticos con una herencia abundante, (ii) la tonalita varisca SAB51 con zircones que presentan bandas metamícticas localizadas y homogeneidad isotópica, y (iii) la sienita REG20 del Paleoproterozoico temprano al Neoarcaico con zircones muy metamícticos, con inclusiones abundantes y presencia de Pb común y pérdida de Pb radiogénico. Para los experimentos de alta T en seco, se colocaron granos de zircón embebidos en cristobalita pura en crisoles abiertos y se calentaron en un horno tubular horizontal bajo una atmósfera de N2 a 1300°C durante 1, 3 y 6 meses. Para los experimentos hidrotermales se utilizó agua ultrapura y soluciones de NaCl 2M, CaCl2 2M y NaF 1M. Mezclas de zircón + polvo de granito + solución y polvo de granito + solución se colocaron en las bombas de teflón y se calentaron a 170 ºC a aprox. 10 bar durante 43 días. En los experimentos en autoclave, mezclas de zircón + solución y zircón + cuarzo + solución se calentaron a 550 ºC, a unos 2 kbar durante 3 y 8 días. Para determinar los parámetros más importantes que controlan la herencia del zircón, se calcularon con rhyolite-MELTS las fracciones de fundido para tres protolitos seleccionados con composiciones de grauvaca peraluminosa, granodiorita metaluminosa y gabrodiorita, para unos rangos de temperatura que variaban desde 650 ºC hasta la temperatura liquidus de cada composición. Los cálculos se realizaron a presiones de 3, 6 y 9 kbar y contenidos en agua del 2, 4, 6, 8 y 10 wt%. Las tasas de producción de fundido se determinaron con COMSOLTM. Por otra parte, para entender los mecanismos que permiten la cristalización del zircón a partir de magmas máficos pobres en Zr, se determinó la cinética de difusión del Zr rechazado por los minerales de la interfase de crecimiento en fundidos MORB confinados en poros, utilizando modelos de elementos finitos 2D con malla móvil calculados con COMSOLTM. Los experimentos de annealing muestran recristalización de dominios metamícticos, fusión de inclusiones poliminerales, formación de nanoporos y microfracturación propagada por la tensión termoelástica acumulada en la interfase entre dominios con diferente orientación cristalográfica. La transformación de zircón a baddeleyita tuvo lugar por dos mecanismos diferentes: (i) disolución incongruente de zircón en inclusiones minerales fundidas con una relación CaO/SiO2 elevada, y (ii) recristalización de dominios metamíticos mediada por la liberación de sílice del sitio de reacción. Los zircones extremadamente metamíticos se pudieron datar con éxito tras annealing a 1300 ºC debido a que todo su Pb común, pero poco Pb radiogénico, se perdió del zircón como consecuencia de la formación de un fundido. Se observó un aumento de la concentración de Ti en los granos de zircón con inclusiones diminutas de rutilo u otros minerales portadores de Ti. El wolframio pudo alcanzar una abundancia relativamente elevada en los zircones de regiones con depósitos de W. Se produjo un aumento generalizado de la concentración de W tras el annealing debido a la disolución de impurezas diminutas de W en la red del zircón. Sin embargo, dada la limitada solubilidad del W en el zircón, una fracción del W liberado se consumió en la formación de minerales ricos en W. La composición isotópica de oxígeno de los granos de zircón embebidos en cristobalita se desvió rápidamente hacia los valores de esta última. Esta evidencia permite concluir que los xenocristales de zircón de origen cortical con valores de ∂18O altos encontrados en rocas del manto no podrían haber residido en éste durante mucho tiempo. Los experimentos hidrotermales mostraron que en todos los fluidos saturados en sílice de baja T, el zircón se disolvió congruentemente en presencia de H2O y fluidos salinos, lo que llevó a un aumento de su permeabilidad a lo largo de microfracturas. En los experimentos saturados en sílice a alta T, la disolución de zircón fue congruente en presencia de fluidos con H2O, CaCl2 y NaCl, e incongruente en fluidos con NaF donde precipitaron silicatos de Na-Zr. En todos los experimentos subsaturados en sílice a alta T, el zircón se transformó en baddeleyita por mecanismos acoplados de disolución-precipitación potenciados por la presencia de microfracturas y poros y por la creación de permeabilidad asociada al volumen molar más pequeño de la baddeleyita y a la liberación de sílice de la zona de reacción. Una transformación total de zircón a baddeleyita se produjo en fluidos con NaCl y NaF, lo que indica que las soluciones con Na+ son más reactivas que las de Ca2+. Los lixiviados extraídos de los experimentos hidrotermales de alta y baja T presentaron un notable fraccionamiento de Y con respecto a HREE, presentando el primero una mayor concentración en el fluido. El Pb también se concentró preferentemente en los lixiviados con respecto al U en todos los experimentos, mientras que un fraccionamiento significativo de Th con respecto a U sólo se produjo en los fluidos con CaCl2 y NaCl en condiciones de baja T, presentando el Th una mayor concentración en el fluido. Los modelos numéricos predijeron que la capacidad de los magmas graníticos para heredar zircones de su fuente era una consecuencia de la interacción entre la saturación de zircón en el fundido y la movilidad del magma, siendo el contenido en agua del magma el parámetro clave que controlaba la abundancia de zircón heredado en las rocas graníticas. En la mayoría de los casos, la tasa de disolución de zircón fue significativamente más grande que la de generación de fundido. Se estima que se requiere un flujo de calor mucho más intenso que el suministrado por desintegración radioactiva o ascenso del manto astenosférico para generar fundidos con la suficiente rapidez como para evitar el equilibrio con el zircón. Este requisito sólo lo cumple el magmatismo máfico de la base de la corteza que está caracterizado por la generación de una gran cantidad de calor latente de cristalización que es transferido a la corteza. La supervivencia del zircón es más probable en rocas metasedimentarias peraluminosas fértiles que en félsicas a máficas metaluminosas que dominan la fuente. La herencia de zircón es más importante en los magmas graníticos de tipo S ricos en agua generados a 4.5-6 kbar. Por el contrario, los magmas graníticos pobres en agua se caracterizan por una herencia moderada o nula porque necesitan temperaturas más altas para producir una fracción de fundido similar. Los modelos numéricos también predijeron que el enriquecimiento local de Zr en las interfase de crecimiento de minerales esenciales sólo podría ocurrir cuando el magma alcanzaba una cristalinidad lo suficientemente elevada como para confinar los fundidos residuales en los poros de la roca; de lo contrario, podría producirse la dispersión de los fundidos ricos en Zr creados en las capas límite de difusión. Este proceso puede explicar que la aparición de zircones sin-magmáticos del Atlántico Medio se limite principalmente a las rocas acumuladas. Los cálculos mostraron que la saturación local en las proximidades de la interfase de crecimiento mineral parece ser el único mecanismo posible que es capaz de explicar el crecimiento de zircón mucho antes de que el fundido alcance la saturación en esta fase mineral a escala global. Por otra parte, el mecanismo propuesto puede ser inhibido parcial o totalmente por la cristalización de minerales con un coeficiente de partición mineral/fusión para Zr>0.2, como clinopiroxeno y anfíbol. Ello implica que debido a la cristalización de estas fases minerales en sistemas máficos, nunca se alcanzará la saturación de zircón salvo que la composición del magma sea mucho más rica en Zr que el MORB considerado en el modelo. Estas relaciones explican porqué en el Atlántico Medio solo aparecen primocristales de zircón en los acumulados más precoces.