Esmectita como agente transportador de nitrogênio para o manto sublitosférico

Abstract

O nitrogênio é, sem dúvida, um dos elementos mais importantes para a manutenção da vida na Terra: seu ciclo está intimamente ligado à fertilidade dos solos e ele também é um dos elementos que constroem o DNA dos organismos vivos. Porém sua abundância na superfície do planeta é um fenômeno anômalo no Sistema Solar, já que a atmosfera de nenhum outro corpo é composta majoritariamente por nitrogênio. A tectônica de placas, em especial as zonas de subducção, provavelmente desempenha um papel fundamental no ciclo do nitrogênio e no condicionamento da atmosfera primitiva. Nesse contexto, este trabalho objetiva simular em laboratório condições de pressão e temperatura de zonas de subducção com a finalidade de entender como ocorre o transporte do nitrogênio nesse contexto tectônico. Para tal, esmectitas dopadas com amônio (material que simula sedimentos pelágicos) foram submetidas a diversas condições de altas pressões e temperaturas em: (1) forno de alta temperatura, para simular condições de pressão atmosférica em temperaturas de 200º a 700ºC; (2) células de diamante (DAC), para simular pressões de ~8 GPa em temperatura ambiente e; (3) prensa hidráulica com câmaras de perfil toroidal, para simular, em pressões de 2,5 e 4,0 GPa, temperaturas de 200º a 700ºC. Os resultados dos experimentos foram analisados utilizando microscopia eletrônica de varredura (MEV), difração de raio X (DRX) e espectroscopia infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR). Além disso, a NH4-esmectita foi caracterizada por DRX, FTIR, análise termogravimétrica (TGA), análise térmica diferencial (DTA) análise química CHN. Os resultados mostram que as transformações de fase sofridas pela NH4-esmectita agem no sentido de preservar o cátion interlamelar (no caso, o amônio) durante o processo de subducção. O regime termal das subducções, no entanto, é fundamental para que o processo de transporte seja eficiente. Este trabalho demonstrou que em sistemas quentes, a fusão parcial em baixas pressões (~1 GPa, equivalente a 30 km) libera os voláteis presentes no material de volta para a superfície. Por outro lado, em sistemas frios, o nitrogênio é transportado até pressões de ~5 GPa (~150 km de profundidade).

Nitrogen is, undoubtly, one of the most important elements for the for the maintenance of life on Earth: its cycle is intimately connected to the soil fertility and it is also one of the main building block of the genetic code of living organisms. However, its abundance on the surface of the planet is an anomalous phenomenon in the Solar System, since the atmosphere of no other body is mostly composed by nitrogen. Plate tectonics, in special subduction zones, probably play a fundamental role on the nitrogen cycle and on conditioning of the pristine atmosphere. In this context, this project aims to simulate in laboratory the pressure and temperature conditions found on subduction zones in order to understand how the transportation of nitrogen occurs in this tectonic setting. For that, ammonium-bearing smectites (material that simulates pelagic sediments) were subjected to a series of high pressure and temperature conditions in: (1) a high temperature furnace, to simulate atmospheric pressure conditions in temperatures ranging between 200o and 700oC; (2) diamond anvil cell (DAC) apparatus, to simulate pressures up to ~8 GPa at room temperature and; (3) a hydraulic press with coupled toroidal chambers, to simulate, under pressures of 2.5 and 4.0 GPa, temperatures between 200o and 700oC. The experimental results were analysed using scanning electron microscopy (SEM), X ray diffraction (XRD) and infrared spectroscopy (FTIR). Besides that, the NH4-smectite was characterized with XRD, FTIR, thermogravimetric analysis (TGA) and differential thermal analysis (DTA) and CHN chemical analysis. The results show that the phase transformations suffered by the smectite act in the sense to preserve the interlayer cation (in this case, ammonium) during the subduction process. The thermal regime of a subduction zone is, nonetheless, fundamental for the efficiency of the transportation. This project demonstrated that in hot systems, partial melting in low pressures (~1 GPa, equivalent to 30 km) liberates volatiles present in the material back to the surface. On the other hand, in cold systems, nitrogen is effectively transported to pressures up to ~5 GPa (~150 km depth).