Isotopos Radiogenicos como Trazadores y su uso en

Transcripción

Isotopos Radiogenicos como
Trazadores y su uso en
Geocronologia
Fernando Barra
University of Arizona
Tucson, AZ
[email protected]
Barra © 2009
XXVIII Curso Latinoamericano de Metalogenia UNESCO-SEG-SGA
Depósitos Minerales
Chuquicamata
Los depósitos
minerales son
grandes anomalias
geoquimicas en la
corteza
Para formar un
depósito mineral se
requiere de una
fuente de los
elementos y de una
serie de procesos
geológicos que
conduzcan a la
concentración de
ellos
Herramientas para Entender Procesos Geologicos
Mapeo (litologia,
mineralizacion, alteracion,
estructuras)
Petrografia,
Calcografia,
Inclusiones Fluidas
Estudios
mineralogicos
(Rayos-X,
Microsonda, SEM)
Geoquimica:
termodinamica, modelos,
elementos traza,
isotopos
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Geocronologia como Herramienta en Exploracion
•Geocronologia es importante para
entender la genesis de procesos
geologicos y su relacion con eventos
de caracter regional o global
•Geólogos (regionales, tectónicos,
petrólogos, económicos) trabajan
con sistemas (o rocas) formados
durante un período largo de años
Pero cual sistema es el
mas adecuado de usar?
Re-Os?
• Aproximadamente el 85% de los
trabajos publicados en revistas
especializadas tienen información de
geocronología o termocronología
•Es un campo de rápida expansión
debido a nuevas tecnologías y
aplicaciones
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Objetivos
• Entregar conocimientos básicos
sobre diversas técnicas analíticas de
datación radiométrica
• Entregar las herramientas
necesarias para saber distinguir qué
método es el más adecuado a usar en
una problemática específica
• Entregar algunas herramientas
básicas para la interpretación de
resultados isotópicos
• Diferencia entre geocronología y
termocronología
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Herramientas Geocronologicas
Early Qtz veins with well
developed Kspar halo
•U-Pb zircones en
intrusivo (porfido)
Early Qtz veins with minor
Kspar halo
•Ar/Ar biotita
secundaria
•Ar/Ar Feld. K
Early Qtz-Mo vein
•Re-Os molibdenita
Shreddy biotite in matrix
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Estructura del Atomo
Compuesto de protones,
neutrones, electrones
La suma de protones y
neutrones = número
másico
Sólo ciertas combinaciones
de protones/neutrones son
estables en la naturaleza
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Sistematica Nuclear
A
Z
E
E: elemento
A: número másico = protones + neutrones
Z: numero atómico = protones
Isótopos: mismo número atómico (# protones) pero
diferente # de neutrones
Isotonos: mismo # de neutrones pero diferente # de
protones
Isobaros: mismo número másico
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Isotopos, Isobaros, Isotonos
Número de Protones
Isotopos
Isobaros
Isotonos
Número de Neutrones
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Qué es un isótopo?
Son elementos que tienen el mismo
número de protones pero diferente
número de neutrones
9C, 10C, 11C, 12C, 13C
Existen isótopos radiogénicos e
isótopos estables
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Un Ejemplo: el Rb
Fundamentalmente hay 2
isótopos que no decaen
dentro de un periodo corto
de tiempo, 87Rb y 85Rb.
Todos los otros isotopos
no están presentes en la
naturaleza. De estos dos,
uno es estable (85Rb), y el
otro es radiogénico (87Rb)
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Un Ejemplo: el Rb
Si un isótopo decae en
períodos de tiempo
muy cortos (segundos,
minutos, horas, dias) –
no es estable.
Para especies que
decaen en forma mas
lenta – se necesita
conocer:
Constante de
decaimiento
Su vida media
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Decaimiento Radiogenico
Vida media (t1/2)
Tiempo requerido
para reducir a la
mitad la cantidad
de atomos de un
isotopo
radioactivo
(padre)
Constante de decaimiento () = ln2/t1/2
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Elementos radioactivos y sus productos
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Sistemas Isotopicos de Interes en Geologia
Padre
Hijo
Decay
Decay Ct
Vida media
Desarrollo
40K
40Ar
40Ar
0.581 x 10-10 y-1
1.193 x 1010 y
1950’s
40Ca
-, +,ec 4.962 x 10-10 y-1
1.397 x 109 y
1980’s
87Rb
87Sr
-
1.42 x 10-11 y-1
4.88 x 1010 y
1960
147Sm
143Nd
-
6.54 x 10-12 y-1
1.06 x 1011 y
1974
176Lu
176Hf

1.94 x 10-11 y-1
3.57 x 1010 y
1980
187Re
187Os
-
1.666 x 10-11 y-1
4.23 x 1010 y
1980
190Pt
186Os
-
1.477 x 10-12 y-1
4.69 x 1011 y
1997
238U
206Pb

1.551 x 10-10 y-1
4.468 x 109 y
1950’s
235U
207Pb

9.849 x 10-10 y-1
7.038 x 109 y
1950’s
232Th
208Pb

4.948 x 10-11 y-1
1.401 x 1010 y
1950’s
Sistemas que tienen vida media comparables o mayores a la edad de la
Tierra. Por ejemplo el 87Rb tiene una vida media 10 veces mayor que la
edad de la Tierra.
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Decaimiento alfa () – por emision de nucleos de He (2
protones + 2 neutrones).
Ejemplos:
 143Nd +  + Q
238U  234Th +  + Q
147Sm
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Decaimiento Beta negativo (-) – transformacion de un
neutron a un proton y un electron. Este ultimo es
expulsado del nucleo como particula beta. Tambien
produce antineutrino. Ejemplos:
 87Sr + - +  + Q
176Lu  176Hf + - +  + Q
187Re  187Os + - +  + Q
87Rb
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Captura de electron (+) – Captura de un electron
extranuclear el que se combina con un proton para formar
un neutron. Ejemplo:
40K
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+ +  40Ar +  + Q
Sistematica Isotopica General
El cambio que experimenta un isotopo radiogenico a traves
del tiempo puede ser descrita por la siguiente ecuacion
donde
(D) = el numero total de atomos “hijos” medidos hoy,
(Di) = el numero total de atomos “hijos” presentes inicialmente,
(P) = el numero de atomos “padres” que queda hoy,
(t) = tiempo o edad
() = constante de decaimiento del isotopo “padre”
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Para el sistema Re-Os tenemos:
187Re
 187Os + - +  + Q
187Os(m)
= 187Os(i) + 187Re (et - 1)
donde
187Os(m)
= el numero total de atomos “hijos” medidos hoy
187Os(i)
= el numero total de atomos “hijos” presentes inicialmente
187Re
= el numero de atomos “padres” que queda hoy
(t)
= tiempo o edad
()
= constante de decaimiento del
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187Re
(1.666 x 10-11 y-10)
La abundancia absoluta de un elemento dado es
dificil de medir, por lo tanto la ecuacion de
decaimiento se modifica dividiendo cada termino
por un isotopo estable del elemento producido
por el decaimiento, es decir un isotopo estable del
elemento “hijo”.
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Entonces, para el sistema Re-Os se tiene:
187Os
187Os
187Re
(et - 1)
188Os
188Os
188Os
Edad
m
i
m
Fuente
187Re = 1.666 x 10-11 y-1
Vida media = 4.16 x 1010 y
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Si la edad puede ser determinada por otros medios
(por ejemplo: U-Pb, Ar-Ar, K-Ar) entonces en la
ecuacion solo se tiene una incognita: La razon
inicial de Os (187Os/188Os)i
187Os
187Os
187Re
188Os
188Os
188Os
m
i
(et - 1)
m
Este procedimiento conduce a una
inicial calculada
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Por otra parte, si la razon inicial de Os puede ser
estimada de alguna forma, entonces en la ecuacion
solo se tiene la incognita (t)
187Os
187Os
187Re
188Os
188Os
188Os
m
i
(et - 1)
m
Este procedimiento conduce a una
edad calculada
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Isocronas
Si ambas, la razon de Os inicial (187Os/188Os)i y la
edad (t) son desconocidas, entonces podemos
construir isocronas, ya que la ecuacion general
tiene la forma de la ecuacion de una linea
187Os
187Os
187Re
188Os
188Os
188Os
m
y
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(et - 1)
i
=
b
+
m
x
*
m
Isocronas
Edad
187Os/188Os
40
30
20
10
t=0
Inicial
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
187Re/188Os
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Variacion a traves del tiempo
7
5
5
3
3
1
1
500
Barra © 2009
187Os/188Os
187Os/188Os
7
400
300
Time
200
100
Present
Backtracking
7
5
5
3
3
1
1
500
Barra © 2009
187Os/188Os
187Os/188Os
7
400
300
Time
200
100
Present
Comportamiento durante fusion parcial
Magma
Rb>Sr
Re>Os
Nd>Sm
U, Th
Sm
Co
Rb
Zona de fusion parcial
Elementos Incompatibles
Sr
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Os
Ni
Re
Sistemas isotopicos: Comparacion
Sistema
Isotopico
87Rb
 87Sr
187Re
 187Os
147Sm
 143Nd
Razon
87Sr/86Sr
187Os/188Os
143Nd/144Nd
Vida media
48.8 Ga
42 Ga
106 Ga
87Sr/86Sr
187Os/188Os
143Nd/144Nd
0.702-0.740
0.1-15
0.511-0.513
87Rb/86Sr
187Re/188Os
147Sm/144Nd
0.1-20
0.1-100000
0.10-0.35
Rango
Rango
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Fundamentos de Datacion Radiometrica
1) Los valores de N y D solo han cambiado como
consecuencia del decaimiento radiogenico, es decir
el sistema ha permanecido quimicamente cerrado.
2) La composicion isotopica del padre no ha sido
alterada por fraccionamiento cuando se formo la
roca.
3) La constante de decaimiento es conocida con
exactitud.
4) La isocrona no es una linea de mezcla
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El Metodo Rb-Sr
• Rb
Sr (estable)
85: 72.1654%
87: 27.8346% (radiogenico)
88: 82.53%
87: 7.04%
86: 9.87%
84: 0.56%
Rb (1.48 Å) - K (1.33 Å)
Micas (muscovita, biotita, flogopita, lepidolita)
Feldespatos-K (ortoclasa, microclina)
Sr (1.13 Å) - Ca (0.99 Å)
Plagioclasa, apatita
Carbonato de Calcio
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Sistema isotopico Rb-Sr
Entonces, para el sistema Rb-Sr se tiene:
87Sr
87Sr
87Rb
86Sr
86Sr
86Sr
m
i
(et - 1)
Edad
m
Fuente
87Rb = 1.42 x 10-11 y-1
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Que datar con Rb/Sr?
• Minerales que pueden ser datados por Rb/Sr son aquellos que
tienen una alta razon Rb/Sr:
Biotita
Muscovita
Feldespato K
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Anfiboles
Granate
Datacion de sulfuros
Isocrona de Rb-Sr
usando esfaleritas
(Coy Mine, MVT). La
isocrona da una edad
de 377 ± 29 Ma con
una inicial 87Sr/86Sr de
0.7107 ± 3.
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Coy mine, East Tennessee (Nakai et al 1990)
Datacion de sulfuros
Isocrona de Rb-Sr
usando esfaleritas
(Polaris MVT). La
isocrona da una edad
de 366 ± 15 Ma con
una inicial 87Sr/86Sr de
0.7086 ± 1 (MSWD =
7.6).
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El Metodo Sm-Nd
147Sm
 143Nd +  + Q
T1/2 = 106 Ga
 = 6.54 x 10-12y-1
Nd  143Nd  147Sm t
  144   144 (e  1)
144
Nd  Nd 0
Nd
143
•Nd es levemente mas incompatible en el manto que el Sm debido a
que es mas grande y ambos tienen una carga + 3.
•El metodo Sm-Nd es util en rocas (o minerales) que tienen Ca ya que
las REE se substituyen por el Ca.
•El metodo Sm-Nd es relativamente resistente a la alteracion ya que es
muy insoluble en fluidos
•Las razones Sm/Nd en rocas terrestres va de 0.1- 0.5
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Aplicaciones del Sm-Nd
Scheelita (CaWO4) de depositos de oro
(Zimbabwe)
0.516
Age = 2668+64 Ma
143
144
Nd/ Nd
0.514
0.512
0.510
initial
0.0
143
Nd/
144
Nd ratio = 0.50918+0.00010
0.1
0.2
147
Sm/
Barra © 2009
0.3
0.4
144
Nd
Barra © 2009
•Nd: 0 a -14
•87Sr/86Sr: 0.704-0.710
•Rocas volcanicas tempranas
tienen firma mas primitiva
(mantelica?)
•Intrusivos derivados de
rocas Precambricas, pero
tambien componente
mantelico
•Intrusivos productivos y
esteriles no pueden ser
distinguidos en base a
isotopos(?)
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Renio y Osmio
Re y Os son calcofilos (afinidad por el azufre) y siderofilos (afinidad por el hierro)
Osmio es uno de los 6 elementos del Grupo del Platino (PGEs)
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Comportamiento durante fusion parcial
• Re es levemente incompatible,mientras que Os
es compatible
• Entonces la corteza va a tener bajas
concentraciones de Os y altas razones de Re/Os
• El manto tiene una razon 187Os/188Os de ~0.13
• Los isotopos de Re y Os son una
importante herramienta para evaluar la
interaccion entre el manto y la corteza
Barra © 2009
Abundancia Natural (%)
Isotopos de Renio y Osmio
62.6%
1.513%
37.40%
40.98%
26.38%
16.22% 13.29%
1.593%
0.0177%
192
190
189
188
187
186
185
184
Masa Atomica
Isotopos de Osmio
Isotopos de Renio
Barra © 2009
Entonces, para el sistema Re-Os se tiene:
187Os
187Os
187Re
188Os
188Os
188Os
m
i
(et - 1)
Edad
m
Fuente
187Re = 1.666 x 10-11 y-1
Barra © 2009
Re-Os Sulfuros de El Teniente, Chile
• No hay isocrona
• Iniciales
calculadas para
distintas fases
minerales entre
0.17 y 0.19
• Fuente: corteza
o manto?
Freydier et al., 1997
Barra © 2009
Sulfuros Masivos: Tharsis-Rio Tharsis, España
Mathur et al., 1999
Barra © 2009
Porfido Cu-Mo: Chuquimata, Chile
Piritas (alteracion cuarzo-sericitica)
Iniciales calculadas para Calcopiritas de la Zona de alteracion potasica
dan ~0.15
Mathur et al., 2000
Barra © 2009
Porfido Cu-Mo: El Salvador, Chile
Mathur et al., 2000
Barra © 2009
Relacion entre inicial de Os y contenido de Cu
Modificado de Mathur et al., 2000
Barra © 2009
Porfido Cu-Au: Grasberg, Irian Java
Mathur et al., 2000
Barra © 2009
Porfido Cu-Mo: Bagdad, USA
78.3 ± 3.6
76.2 ± 3.4
75.2 ± 3.4
Southwest Stock
Blue Mountain Stock
Diques de Diorita porfirica
Cuarzo Monzonita
72.6 ± 4.6
76.1 ± 0.3
75.8 ± 0.3
75.8 ± 0.3
71.7 ± 0.3
72.1 ± 0.3
71.8 ± 0.3
71.7 ± 0.3
Molibdenita en rocas Precambricas
(roca huesped)
Molibdenita en Porfido Cuarzo
Monzonitico
85
79
73
67
Ma
Barra et al., 2003
Barra © 2009
Barra et al., 2003
Barra © 2009
• Dos eventos de mineralizacion reconocidos
en Bagdad (75 Ma y a 72 Ma) determinados
por Re-Os en molibdenita
• La razon inicial de Os es mucho mas
radiogenica que aquellas determinadas para
algunos porfidos cupriferos chilenos
(Chuquicamata, El Salvador) e indica una
fuerte componente cortical para la fuente del
Os y por ende de los metales
Barra © 2009
Cu Sedimentario: Copperbelt, Zambia
Katanga
Roan Inferior
Basamento
Musoshi
Konkola
Nchanga
Mufulira
Chambishi
Samba
Nkana
Chibuluma
N
20 km
Barra © 2009
Lonshi
Deposito
Nchanga
Nkana
Konkola
Mufulira
Luanshya
Musoshi
Baluba
Chambishi
Chibuluma
Samba
Lonshi
MMt
580
564
526
335
275
100
92
57
32
50
8
Cu%
3.6
2.6
3.2
3.3
2.8
2.2
2.5
3.3
3.8
0.5
4.9
Co%
0.2
0.15
0.1
0.15
0.2
Baluba
Luanshya
Konkola Copperbelt, Zambia
Barra, unpublished
Barra © 2009
Barra, unpublished
Barra © 2009
• Edad de la Mineralizacion
– KONKOLA (~815 Ma)
• 825 – 750 Ma  mineralizacion temprana posiblemente
diagenetica
– NKANA, CHIBULUMA, NCHANGA (~576 Ma)
• 580 Ma  inicio de deformacion y metamorfismo asociado a la
orogenesis Lufuliana
– NKANA, KANSHANSHI (500 – 530 Ma) Mineralizacion de
Molibdenita
• 500 – 530 Ma  marca el peak a las etapas tardias del
metamorfismo
• Fuente del osmio (y de los metales?)
– Fuente del Os es distinto para los dos eventos de
mineralizaion
Barra © 2009
Origen del Oro en el Witwatersrand, Sud Africa
Kirk et al., 2002
Barra © 2009
Kirk et al., 2002
Barra © 2009
Kirk et al., 2002
Barra © 2009
Kirk et al., 2002
Barra © 2009
Kirk et al., 2002
Barra © 2009
Barra © 2009
IOCG: La Candelaria, Chile
Mathur et al., 2002
Barra © 2009
Deposito Magmatico: Platreef, Bushveld-Sud Africa
Barra, unpublished
Barra © 2009
Oro Orogenico: La Herradura, Mexico
Barra, unpublished
Barra © 2009
Geocronologia de Depositos
Minerales
Fernando Barra
University of Arizona
Tucson, AZ
[email protected]
Barra © 2009
Edad de la Mineralizacion
• Metodos indirectos
– Rb-Sr, Sm-Nd, K-Ar, 40Ar/39Ar, U-Pb (elementos
asociados a ganga o minerales de alteracion) 
LITOFILOS
• Metodos directos
– Rb-Sr Esfalerita
– Sm-Nd Fluorita
– U-Th-Pb en Calcita y Minerales con U
– Re-Os en Molibdenita y otros Sulfuros 
CALCOFILOS Y SIDEROFILOS
Barra © 2009
Re-Os en Molibdenita
187Os(m)
= 187Os(i) + 187Re (elt - 1)
ln [(
t=
187Os/ 187Re)
+ 1]

Se obtiene una edad calculada, tambien
mal llamada “edad modelo”
Barra © 2009
Re-Os en Molibdenita: Isocrona
Zhang et al., 2005
Barra © 2009
Ventajas:
• Contiene muy poco o cantidades despreciables de Os
comun (o inicial)
•Practicamente todo el Os en molibdenita es radiogenico
• Altas concentraciones de Re (ppm) y Os (ppb)
•Bajo error asociado (<~0.5%) permite discriminar entre
varios eventos cercanos en el tiempo en depositos jovenes
Desventajas:
• No puede ser usado como trazador
• El sistema puede ser perturbado (alteracion)
Barra © 2009
Early Qtz-Mo vein 1
Barra © 2009
Early Qtz-Mo vein 2
Early Qtz-Mo vein 3
Alteracion de Molibdenita:
• El Re y Os en Molibdenita pueden ser remobilizados ya
sea en ambiente supergeno o por eventos hidrotermales
posteriores a la formacion de molibdenita  edades
erroneas (Luck y Allegre, 1980; McCandless et al 1993;
Suzuki et al., 2000)
Inalterabilidad de Molibdenita:
• La molibdenita permace inalterable, incluso ante
condiciones de metamorfismo del tipo granulitas (>700 C)
(Stein et al., 1998; Selby y Creaser, 2001; Stein, 2006)
Barra © 2009
Provincia del Suroeste Norteamericano
• Dos periodos de
mineralizacion en
el Suroeste
Americano: 74 -70
Ma y 60 - 55 Ma
(McCandless y
Ruiz, 1993)
• Extension del limite
inferior a 50 Ma
• Milpillas en el
distrito Cananea es
63 Ma
Barra et al., 2005
Barra © 2009
Geocronologia Nivel Regional:Porfidos de Chile
Barra © 2009
Provincia del Suroeste Norteamericano
Barra et al., 2005
Barra © 2009
Geocronologia Nivel Distrital: Distrito Collahuasi, Chile
Rosario - La Grande
Alunita-hypogena (2)
U-Pb (3)
U-Pb (3)
Illita (2)
Biotita-ignea (2)
Biotita (3)
Biotita (3)
Rosario
Alunita-hypogena (2)
Re-Os (3)
Re-Os (2)
Sericita (3)
Muscovita (1)
Biotita-hidrotermal (1)
Porfido Collahuasi
Re-Os (3)
U-Pb (3)
Biotita-ignea (2)
Biotita-ignea diques postminerales (2)
Ujina
Re-Os (3)
Sericita (3)
Dacita Ines
Re-Os (3)
38
36
34
32
30
Data from (1) Clark et al. (1998); (2) Masterman et al. (2004); (3) Munizaga (unpublished)
Barra © 2009
Geocronologia del Distrito Cananea, Sonora, Mexico
Valencia et al., 2006
Barra © 2009
Geocronologia Nivel Deposito: El Arco, Mexico
Valencia et al., (2006)
Barra © 2009
Prospecto Tameapa, Sinaloa Mexico
Barra et al., 2005
Barra © 2009
Prospecto Tameapa, Sinaloa Mexico
Barra et al., 2005
Barra © 2009
Geocronologia Nivel Deposito: El Salvador, Chile
Barra © 2009
Geocronologia Nivel Deposito: Los Pelambres, Chile
Data from Bertens et al. (2003)
Barra © 2009
Geocronologia Nivel Deposito: Rio Blanco, Chile
U-Pb and Ar/Ar data from Deckart et al. (2005), Re-Os data from Mathur et al. (2005)
Barra © 2009
El Teniente, Chile
Maksaev et al., 2004
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El Teniente, Chile
Datos de Maksaev et al., 2004
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Isotopos Radiogenicos como Trazadores y su uso en

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