Conservação da massa e fracionamento elemental

Material extraído e modificado de: ALBARÈDE, F. Geoquímica: uma introdução.

São Paulo : Oficina de Textos, 2011.

• Princípios que controlam a diferenciação geoquímica em nosso planeta: – princípio de conservação da massa, – fracionamento dos elementos e dos isótopos em

mudanças de fases, – fracionamento cinético e – radioatividade.

Contraste entre os processos de mistura e diferenciação

• A fusão parcial do manto sob as dorsais meso-oceânicas produz líquidos basálticos de composição distinta da composição de suas rochas-fonte ultramáficas, os peridotitos.

• Para que o fracionamento químico ou isotópico ocorra, é necessário haver coexistência de pelo menos duas fases (sólido/líquido, vapor/líquido, mineral A/mineral B, . . . ), que incorporem em proporções distintas os elementos ou isótopos disponíveis.

• Porém, quando a crosta e a litosfera oceânicas entram em subducção, elas são deformadas e estiradas pelas correntes de convecção do manto, de modo parecido com uma massa de pão sendo amassada, o que tende a eliminar as diferenças iniciais entre as fases. A mistura ou perturbação por convecção tende a desfazer o efeito da diferenciação magmática.

• A erosão de um granito produz argilominerais, grãos de quartzo e contribui com um aporte de elementos solúveis na água de escoamento; – os argilominerais podem se acumular no fundo oceânico; – o quartzo em arenitos, na plataforma continental ou no talude, – a água dos rios se mistura à água dos oceanos.

• A erosão dividiu o granito em três produtos distintos que seguem trajetórias distintas.

• Os sedimentos podem chegar às zonas de subducção, onde são soterrados sob uma espessa camada de rochas.

• Nessa situação, a deformação tectônica e as transformações mineralógicas causadas pelo metamorfismo sob temperatura e pressão elevadas, combinadas com a ação de fluidos, podem promover a fusão parcial (anatexia); as fusões silicáticas ali formadas migram em fluxo ascendente para formar intrusões graníticas. O processo de fracionamento causado pela erosão pode ser, portanto, destruído pelos processos de metamorfismo e fusão parcial.

• Nos oceanos ocorre uma diferenciação química próximo à superfície, pois a atividade biológica concentra elementos nutrientes, sílica e carbonato de cálcio.

• A redissolução de organismos mortos e materiais detríticos, juntamente com a circulação das correntes profundas, promove a homogenização dos componentes fracionados pela atividade biológica.

Métodos de análise de balanço de massa, essenciais nos processos de diferenciação e mistura

• Qualquer sistema, natural ou artificial, é constituído por componentes e espécies.

• Os componentes são as entidades químicas (átomos, íons ou, no caso de uma rocha, óxidos de metais, como Na, Na+, Na2O, p. ex.) que descrevem, de modo completo e preciso, a composição química do sistema ou da rocha em questão.

• A composição química das rochas é, em geral, apresentada na forma de porcentagem em peso de óxidos, como SiO2, Al2O3, Na2O etc., enquanto a concentração de soluções é apresentada em moles de componentes iônicos, Na+, Ca2+, Cl- etc., por quilograma de água.

• Os componentes são preservados durante as reações, ao passo que as fases se transformam; a proporção dos componentes é independente das condições físicas nas quais o sistema se encontra.

• O termo espécies refere-se a todas as formas de associação entre os componentes, as quais podem ou não estar presentes em um dado sistema. – O feldspato potássico KAISi3O8 em uma rocha ou o íon

HCO3-, em uma solução são exemplos de espécies.

• A proporção das espécies pode ser alterada em função de mudanças de temperatura, pressão, reações e fases.

Conservação da massa• Princípio de conservação da massa: o todo é a

soma de suas partes.• Ex.:

1. A composição de um rio é a combinação de todos os afluentes por ele recebidos;

2. a composição de uma rocha é a combinação de todos os elementos presentes em seus minerais;

3. a composição de um magma parental basáltico pode ser calculada pela soma da olivina formada e do magma residual.

• Esse princípio é perfeitamente aplicável, contanto que todos os componentes do sistema tenham sido corretamente identificados.

• Sua aplicação continua sendo válida se os componentes perderem sua identidade física por mistura (caso 1) ou se sua identidade for preservada (caso 2).

• A concentração do sistema é dada pela média ponderada da concentração de seus componentes.

• A fração em massa de cada componente da mistura é o "peso" pelo qual suas respectivas concentrações são multiplicadas para se obter sua contribuição ao teor total do elemento no sistema.

• As composições podem ser representadas de forma vetorial.

• A representação de composições na forma vetorial engloba o conceito de assembleia de reação ou de reação mineral, de grande importância na petrologia metamórfica.

• Exemplo: assembleia quartzo (SiO2), forsterita (MgSiO4) e enstatita (Mg2Si2O6).

• Uma rocha composta por dois óxidos, não pode conter mais de dois minerais coexistindo em equilíbrio.

• Três minerais não podem ser estáveis simultaneamente no espaço composicional (SiO2, MgO); qualquer vetor "rocha" pode ser representado por um infinito número de combinações de vetores "minerais”: conforme a reação forsterita + quartzo ↔ enstatita (Fig. 2.3).

• Os dados termodinâmicos indicam que essa reação ocorre espontaneamente da esquerda para a direita, até o consumo total de quartzo ou de forsterita.

• A assembleia mineral estável inclui, portanto, apenas dois minerais: enstatita e quartzo ou forsterita, dependendo da composição da rocha.

Fracionamento elemental

• Coeficientes de partição são as razões, geralmente constantes, entre concentrações de elementos-traço (com concentrações < 1 .000 ppm) em duas fases sob condições similares de temperatura, pressão e composição global do sistema (ácido, básico, aquoso).

• Em geoquímica, geralmente se aplica o termo coeficiente de partição aos coeficientes mineral/líquido.

• O coeficiente de partição fornece uma medida da compatibilidade de um elemento (ou de seu caráter refratário) em um dado ambiente.

• Em geoquímica de rochas ígneas representam-se as concentrações dos elementos de diferentes rochas segundo uma ordem crescente de incompatibilidade em relação à fusão do manto, com base em dados experimentais.

• Os diagramas multielementos são feitos com dados normalizados por uma rocha ou composição de referência (condrito, Terra Global Silicática, basaltos MORB) e têm se tornado diagramas-padrão em geoquímica.

• A variabilidade da concentração dos elementos em basaltos (indicada pelo desvio padrão relativo) diminui de modo marcante à medida que a compatibilidade desses elementos aumenta.

• A distribuição dos elementos químicos nas rochas é complexa.

• Alguns elementos são indicadores da participação de certos minerais nos processos, especialmente nos processos magmáticos. Por exemplo, – a olivina concentra Ni, – a granada concentra elementos terras-raras pesados, – os piroxênios concentram Sc e Cr, e – os feldspatos concentram Eu e Sr.