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Inclusión de fusión

Múltiples inclusiones fundidas en un cristal de olivino. Las inclusiones individuales son ovaladas o redondas y consisten en vidrio transparente, junto con una pequeña burbuja d...

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Múltiples inclusiones fundidas en un cristal de olivino. Las inclusiones individuales son ovaladas o redondas y consisten en vidrio transparente, junto con una pequeña burbuja de vapor redonda y, en algunos casos, un pequeño cristal de espinela cuadrado . La flecha negra señala un buen ejemplo, pero existen varios más. La presencia de múltiples inclusiones dentro de un mismo cristal es relativamente común.

Una inclusión fundida es una pequeña porción o "grumo" de material fundido que queda atrapado por cristales que crecen [ 1 ] en el magma y que eventualmente forman rocas ígneas . En muchos aspectos, es análogo a una inclusión fluida dentro de sistemas hidrotermales magmáticos. [ 2 ] [ 3 ] Las inclusiones fundidas tienden a ser de tamaño microscópico (10-80 µm) y se pueden analizar para determinar su contenido de volátiles, que se utiliza para interpretar las presiones de atrapamiento del material fundido en profundidad.

Características

Las inclusiones fundidas son generalmente pequeñas; la mayoría tienen menos de 80 micrómetros de diámetro (un micrómetro es una milésima de milímetro, o aproximadamente 0,00004  pulgadas). [ 4 ] Pueden contener varios constituyentes diferentes, incluyendo vidrio (que representa una fusión que ha sido enfriada rápidamente), pequeños cristales y una burbuja separada rica en vapor. [ 5 ] Se presentan en los cristales que se pueden encontrar en rocas ígneas, como por ejemplo cuarzo , feldespato , olivino , piroxeno , nefelina , magnetita , perovskita y apatita . [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] Las inclusiones fundidas se pueden encontrar tanto en rocas volcánicas como plutónicas . Además, las inclusiones fundidas pueden contener fases fundidas inmiscibles (no miscibles) y su estudio es una forma excepcional de encontrar evidencia directa de la presencia de dos o más fusiones en el atrapamiento. [ 5 ]

Análisis

Aunque son pequeñas, las inclusiones fundidas pueden proporcionar abundante información útil. Mediante observaciones microscópicas y diversas técnicas de microanálisis químico, los geoquímicos y petrólogos ígneos pueden obtener información única a partir de las inclusiones fundidas. Se utilizan varias técnicas para analizar la composición de las inclusiones fundidas. Los elementos volátiles (H₂O y CO₂ ) se analizan con espectroscopia de masas de iones secundarios ( SIMS ), FTIR de transmisión de doble cara [ 9 ] y FTIR de reflectancia de una sola cara [ 10 ] . Estas composiciones volátiles permiten rastrear las profundidades de almacenamiento de los magmas, la cristalización, la desgasificación volcánica y las tasas de ascenso o descompresión durante la erupción [ 11 ] . Los elementos mayores, menores y traza se analizan a menudo mediante análisis de microsonda electrónica ( EMPA ), espectrometría de masas de plasma acoplado inductivamente con ablación láser ( LA-ICPMS ), microscopía electrónica de barrido ( SEM ) y espectroscopia de masas de iones secundarios ( SIMS ). [ 12 ] Si hay una burbuja de vapor presente dentro de la inclusión fundida, se debe realizar un análisis de la burbuja de vapor con espectroscopia Raman [ 13 ] o microtermometría, [ 14 ] o alternativamente rehomogeneización experimental [ 11 ] [ 15 ] [ 16 ] al reconstruir el presupuesto total de volátiles de la inclusión fundida. [ 17 ]

Microtermometría

La microtermometría es el proceso de recalentar una inclusión fundida a su temperatura de fusión original y luego enfriarla rápidamente para formar una fase vítrea homogénea libre de minerales secundarios o burbujas de vapor que pudieran haber estado originalmente contenidas dentro de la inclusión fundida. [ 18 ]

Calentamiento de platina de alta temperatura montada en microscopio

El calentamiento por platina consiste en calentar una inclusión fundida sobre una platina montada en un microscopio, haciendo fluir gas helio (platina Vernadsky) [ 19 ] [ 20 ] o gas argón (Linkam TS1400XY) [ 21 ] sobre la platina y luego enfriar rápidamente la inclusión fundida una vez que ha alcanzado su temperatura de fusión original para formar una fase vítrea homogénea. El uso de una platina calefactora permite observar los cambios de fase de la inclusión fundida a medida que se recalienta hasta su temperatura de fusión original. [ 22 ]

Hornos verticales de una atmósfera

Este proceso permite recalentar una o más inclusiones fundidas en un horno mantenido a una presión constante de una atmósfera hasta sus temperaturas de fusión originales y luego enfriarlas rápidamente en agua para producir una fase vítrea homogénea. [ 23 ]

espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR)

FTIR es un método analítico que utiliza un láser infrarrojo enfocado en un punto de la fase vítrea de la inclusión fundida para determinar las concentraciones de H₂O ( disuelto como OH⁻ o H₂O molecular ) y CO₂ ( disuelto como CO₂ o CO₃²⁻ ) . El coeficiente de absorción (o extinción) asociado a las longitudes de onda de cada especie de H₂O y CO₂ , dependiendo de la litología original que contenía la inclusión fundida, se utiliza para reconstruir las concentraciones, con la Ley de Beer-Lambert. [ 10 ] [ 24 ] La determinación de la línea base para estos picos volátiles se ha realizado con líneas base lineales, splines , flexicurvas y, más recientemente, con muestreo bayesiano para el análisis de errores. [ 25 ]

espectroscopia Raman

La espectroscopia Raman es similar a la FTIR en el uso de un láser enfocado en la fase vítrea de la inclusión fundida [ 26 ] [ 27 ] o una burbuja de vapor [ 28 ] que puede estar contenida en la inclusión fundida para identificar longitudes de onda asociadas con las bandas de vibración Raman de volátiles, como H₂O y CO₂ . La espectroscopia Raman también puede utilizarse para determinar la densidad de CO₂ contenida en una burbuja de vapor si está presente en una concentración suficientemente alta dentro de una inclusión fundida. [ 13 ]

Espectrometría de masas de iones secundarios (SIMS)

SIMS se utiliza para determinar las concentraciones de elementos volátiles y traza dirigiendo un haz de iones (16O− o 133Cs + ) hacia la inclusión fundida para producir iones secundarios que pueden medirse mediante un espectrómetro de masas . [ 29 ]

Espectrometría de masas de plasma acoplado inductivamente con ablación láser (LA-ICPMS)

LA - ICP-MS puede determinar elementos mayores y traza; sin embargo, con LA-ICP-MS, la inclusión fundida y cualquier material que la acompañe se ionizan, destruyendo así la inclusión fundida, y luego se analizan con un espectrómetro de masas. [ 30 ] [ 31 ] Esto se usa a menudo como etapa final del análisis, ya que la inclusión fundida no se puede analizar posteriormente.

Microscopía electrónica de barrido (MEB)

La microscopía electrónica de barrido es una herramienta útil que se debe emplear antes de cualquiera de los análisis anteriores que puedan resultar en la pérdida del material original, ya que se puede utilizar para comprobar la presencia de minerales secundarios o burbujas de vapor y ayudar a determinar la mejor técnica que se debe elegir para el análisis de inclusiones fundidas. [ 4 ]

Análisis mediante microsonda electrónica (EPMA)

El análisis mediante microsonda electrónica es omnipresente en el análisis de elementos mayores y menores en inclusiones fundidas y proporciona concentraciones de óxidos que se utilizan para determinar los tipos de magma parental de las inclusiones fundidas y los huéspedes de los fenocristales . [ 32 ] La información composicional es útil para determinar el grado de cristalización o fusión posterior al atrapamiento.

microtomografía de rayos X

Las inclusiones fundidas se han visualizado en tres dimensiones mediante microtomografía de rayos X. [ 33 ] Este método puede utilizarse para determinar las dimensiones de las diferentes fases presentes en las inclusiones fundidas con mayor precisión que mediante microscopía de luz visible.

Interpretación

Concentraciones volátiles

Las inclusiones fundidas pueden utilizarse para determinar la composición, la evolución composicional y los componentes volátiles [ 17 ] de los magmas que existieron en la historia de los sistemas magmáticos. Esto se debe a que las inclusiones fundidas actúan como un pequeño recipiente a presión que aísla y preserva el fundido circundante al cristal antes de que sea modificado por procesos posteriores, como la cristalización posterior al atrapamiento. [ 4 ] Dado que las inclusiones fundidas se forman a presiones (P) y temperaturas (T) variables, también pueden proporcionar información importante sobre las condiciones de atrapamiento (PT) en profundidad y su contenido de volátiles (H₂O , CO₂ , S, Cl y F) que impulsan las erupciones volcánicas. [ 24 ]

Burbujas de vapor

Inclusión fundida con burbuja de vapor asociada procedente de un cristal de olivino. Recolectada de ceniza relacionada con la erupción de 1992 del volcán Cerro Negro , Nicaragua.
Animación de una inclusión fundida vista con luz transmitida.

La presencia de una burbuja de vapor añade un componente adicional para el análisis dado que la burbuja de vapor podría contener una proporción significativa del H₂O y CO₂ originalmente en el fundido muestreado por la inclusión de fundido. [ 19 ] [ 34 ] Si la burbuja de vapor está compuesta principalmente de CO₂ , se puede utilizar la espectroscopia Raman para determinar la densidad de CO₂ presente [ 35 ] [ 13 ] o la rehomogeneización experimental puede disolver el CO₂ en vapor de nuevo al fundido [ 15 ] [ 16 ] .

Concentraciones de elementos mayores, menores y traza

Las concentraciones de elementos mayores y menores generalmente se determinan mediante EPMA y las composiciones de elementos comunes incluyen Si, Ti, Al, Cr, Fe, Mn, Mg, Ca, Ni, Na, K, P, Cl, F y S. [ 36 ] El conocimiento de las concentraciones de óxidos relacionadas con estos elementos mayores y menores puede ayudar a determinar la composición del magma parental, la inclusión fundida y los huéspedes de los fenocristales. [ 32 ]

Las concentraciones de oligoelementos se pueden medir mediante análisis SIMS con una resolución en algunos casos tan baja como 1 ppm. [ 37 ] Los análisis LA-ICPMS también se pueden utilizar para determinar las concentraciones de oligoelementos, sin embargo, su menor resolución en comparación con SIMS no permite determinar concentraciones tan bajas como 1 ppm. [ 5 ]

Inclusiones fundidas alojadas en olivino

El olivino (( Mg , Fe ) ₂SiO₄ ) es generalmente el primer mineral en cristalizar en sistemas magmáticos y volcánicos siguiendo la serie de reacción de Bowen . [ 38 ] Por lo tanto, las inclusiones de fundido en olivino pueden ser útiles para registrar procesos magmáticos en sistemas donde ha ocurrido una cristalización limitada, como en erupciones volcánicas . Además, las inclusiones de fundido en olivino pueden registrar composiciones de magma y contenido de volátiles antes de que el magma sea modificado significativamente por cristalización fraccionada , asimilación, desgasificación o cualquier otro proceso magmático. Por estas razones, las inclusiones de fundido en olivino son una herramienta útil comúnmente utilizada por los geólogos para comprender mejor los sistemas magmáticos y volcánicos.

Difusión de hidrógeno y pérdida de agua en olivino e inclusiones fundidas alojadas en olivino.

Los experimentos indican que la difusión de hidrógeno a través de H + puede ocurrir en escalas de tiempo de minutos a horas [ 39 ] a temperaturas tan bajas como 800-1000  °C dentro de la red cristalina de olivino (p. ej., Mackwell y Kohlstedt, 1990). Que la difusión de hidrógeno ocurre a diferentes velocidades a lo largo de diferentes ejes cristalográficos en la red cristalina de olivino , de modo que D [100] > D [010] > D [001] (Barth et al., 2023; Mackwell y Kohlstedt, 1990) y se demostró que la fugacidad de oxígeno no tiene efecto sobre las velocidades de difusión en olivino. Las altas velocidades de difusión de hidrógeno en olivino y una insensibilidad a la fugacidad de oxígeno sobre las velocidades de difusión sugieren que la difusión de hidrógeno ocurre como difusión de protones (H + ) a través del mecanismo intersticial, así como ocupando sitios de silicio y metal. [ 40 ]

Los experimentos han dilucidado los mecanismos por los cuales el hidrógeno se difunde en inclusiones fundidas alojadas en olivino, [ 40 ] concluyendo que la difusión de hidrógeno en dichas inclusiones utiliza el intercambio de material entre el cristal de olivino y la propia inclusión fundida. Específicamente, concluyen que la formación o destrucción de olivino con vacantes en el sitio metálico (que contiene Fe y Mg ) puede contribuir a la deshidratación o hidratación de las inclusiones fundidas. Para la deshidratación de las inclusiones fundidas, ocurren las siguientes reacciones :

2H2O+SiO2⟶H4SiO4{\displaystyle {{\ce {2H2O + SiO2 -> H4SiO4}}}}

H2O+SiO2+MgO⟶MgH2SiO4{\displaystyle {{\ce {H2O + SiO2 + MgO -> MgH2SiO4}}}}

H2O+Fe2O3+2SiO2⟶H4SiO4{\displaystyle {{\ce {H2O + Fe2O3 + 2SiO2 -> H4SiO4}}}}

Las reacciones anteriores indican que la difusión de hidrógeno en las inclusiones fundidas involucra sílice, y que la composición de los elementos principales de las inclusiones fundidas puede verse afectada tanto por la deshidratación como por la hidratación.

Implicaciones para la geología

Los mecanismos y las tasas de difusión del hidrógeno en la olivina y las inclusiones fundidas que contiene proporcionan un contexto importante para los datos de composición química recopilados por los investigadores. Por ejemplo, las rápidas tasas de difusión del hidrógeno en la olivina son importantes a considerar al analizar un xenolito originado en el manto . A medida que una roca del manto asciende a la superficie, alcanzará presiones donde se podrá disolver menor cantidad de hidrógeno en la olivina. Sin embargo, es probable que las temperaturas se mantengan lo suficientemente altas como para que se produzca una difusión significativa. Por lo tanto, es probable que muchos granos de olivina hayan perdido gran parte de su contenido de agua al llegar a la superficie. Además, debido a que la composición de la sílice se ve afectada por la hidratación y deshidratación de las inclusiones fundidas, los cambios en la composición de la masa fundida parental y el grado de deshidratación pueden determinarse mediante discrepancias composicionales entre las inclusiones fundidas y las rocas huésped.

La presencia de agua en forma de hidrógeno es una limitación importante de las propiedades mecánicas del manto . El agua almacenada en los defectos de los cristales de olivino puede afectar la resistencia de este. Este contenido de agua, a su vez, puede afectar la reología del manto. [ 41 ] Dado que la difusividad del hidrógeno está relacionada con la conductividad eléctrica del olivino , que a su vez está relacionada con el contenido de agua, determinar la historia de difusión del hidrógeno de un cristal de olivino puede proporcionar información sobre el contenido de agua del magma del que se originó. [ 42 ]

La difusión de hidrógeno en la olivina también puede utilizarse para determinar la velocidad a la que se descomprimió el magma durante una erupción volcánica . [ 43 ] El magma desgasifica el agua a medida que asciende debido a que encuentra presiones más bajas y, por lo tanto, menor solubilidad del agua, liberándose en una burbuja de vapor. Esta desgasificación provoca que el agua se difunda fuera de los cristales de olivina al encontrar condiciones de desequilibrio. La difusión del agua fuera del cristal de olivina dará como resultado un gradiente de concentración de agua desde el núcleo hasta el borde del cristal de olivina.

Las concentraciones de agua se pueden medir mediante técnicas microanalíticas, como FTIR o SIMS , y la velocidad de difusión se puede modelar matemáticamente. El perfil de difusión resultante (Figura) permite determinar la velocidad de descompresión que experimentó el cristal y, por lo tanto, la velocidad de ascenso del magma durante una erupción volcánica . Esto, a su vez, permite evaluar la explosividad de un evento volcánico. [ 44 ]

La cristalización de fases dentro de la inclusión fundida puede ocurrir después de su atrapamiento. Esto se conoce como cristalización post-atrapamiento. Los cambios en las composiciones de la inclusión fundida que resultan de este proceso pueden corregirse con diferentes modelos, considerando una inclusión fundida hidratada o deshidratada. [ 45 ] Sin embargo, este proceso está relacionado principalmente con la difusión entre dos elementos, Fe y Mg , más que con la difusión de hidrógeno . La interdifusión entre ambos elementos se registra como "pérdida de Fe" o "ganancia de Fe" dependiendo de si el cristal se enfrió o se calentó. [ 45 ] Estos efectos de temperatura se estudiaron experimentalmente, [ 46 ] y también pueden reflejar un cambio en las tasas de difusión de hidrógeno. Por lo tanto, es importante considerar los efectos de la cristalización post-atrapamiento y corregirlos. La corrección permite obtener resultados e interpretaciones precisas a partir de los datos de la inclusión fundida.

Historia

Henry Clifton Sorby , en 1858, fue el primero en documentar inclusiones fundidas microscópicas en cristales. [ 47 ] El estudio de las inclusiones fundidas se ha visto impulsado más recientemente por el desarrollo de sofisticadas técnicas de análisis químico. Científicos de la antigua Unión Soviética lideraron el estudio de las inclusiones fundidas en las décadas posteriores a la Segunda Guerra Mundial , [ 48 ] y desarrollaron métodos para calentar las inclusiones fundidas bajo un microscopio, de modo que los cambios pudieran observarse directamente. AT Anderson exploró el análisis de inclusiones fundidas de magmas basálticos del volcán Kilauea en Hawái para determinar las concentraciones iniciales de volátiles del magma en profundidad. [ 49 ]

Véase también

Referencias

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Lecturas adicionales

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  • Roedder, Edwin (1984). "Inclusiones fluidas". Reviews in Mineralogy . 12 : 644.
  • Frezzotti, Maria-Luce (enero de 2001). "Inclusiones de fundido de silicatos en rocas magmáticas: aplicaciones a la petrología". Lithos . 55 ( 1–4 ): 273–299 . Bibcode : 2001Litho..55..273F . doi : 10.1016/S0024-4937(00)00048-7 .
  • Lowenstern, JB (1995). «Aplicaciones de las inclusiones de fundido de silicatos al estudio de los volátiles magmáticos». En Thompson, JFH (ed.). Magmas, fluidos y depósitos minerales . Curso intensivo de la Asociación Mineralógica de Canadá. Vol.  23. págs. 71–99 . 
  • Vivo, B. de; Bodnar, RJ, eds. (2003). Inclusiones fundidas en sistemas volcánicos: métodos, aplicaciones y problemas . Elsevier. ISBN 978-0-08-053610-1.
  • La página de inclusiones fundidas (Jake Lowenstern, USGS)
  • Inclusiones de fluidos y fundidos (Phil Brown, Universidad de Wisconsin-Madison)