Fracionamento de isótopos estáveis

Material extraído e modificado de:- ALBARÈDE, F. Geoquímica: uma introdução. São Paulo : Oficina de Textos, 2011.

Geoquímica de Alta Temperatura – 6º Período de Geologia FINOM

Prof. Márcio José dos Santos

O que é fracionamento?

• Fracionamento de isótopos refere-se à flutuação nas razões de isótopos como resultado de processos naturais, em função da sua massa atômica.

• Essa variações não estão relacionadas ao tempo e ao enfraquecimento radioativo natural.

• Existem três tipos de fracionamento: o fracionamento de equilíbrio, o fracionamento cinético e o fracionamento independente de massa.

O que são isótopos?

• Isótopos são átomos de um elemento químico cujos núcleos têm o mesmo número atômico, ou seja, os isótopos de um certo elemento contêm o mesmo número de prótons designado por "Z", mas diferentes números de massa.

• Existem 339 isótopos naturais na Terra. São conhecidos mais de 3.100.

Tipos de fracionamento

• O fracionamento de equilíbrio consiste na distribuição desigual dos isótopos estáveis nos reagentes e produtos de uma reação quando ela atinge o equilíbrio químico.

• O fracionamento cinético consiste em taxas diferentes de reação para os diferentes isótopos de um mesmo elemento numa mesma reação química.

• O fracionamento independente de massa é anômalo e não segue as regras dos outros dois tipos.

• Em incubações em sistemas fechados com o propósito da medição da produção primária, que duram algumas horas, apenas o fracionamento cinético é importante.

• Em medições em sistemas abertos, que cobrem escalas temporais medidas em semanas, os fracionamentos de equilíbrio e independente de massa são mais importantes.

• A aplicação de dados isotópicos no estudo de processos naturais é um dos temas de maior sucesso da geoquímica moderna.

• Os métodos isotópicos dependem de procedimentos complexos e equipamentos analíticos sofisticados, mas são conceitualmente simples e robustos.

A variabilidade natural das abundâncias isotópicas é resultante de diferentes processos:

1. Em condições termodinâmicas e cinéticas diversas, os isótopos distribuem-se de modo desigual entre fases coexistentes (minerais, líquidos, gases). Esses efeitos são geralmente sutis, assim como são sutis as diferenças entre os isótopos, o que explica por que elas foram percebidas apenas na década de 1950.

2. A radioatividade remove do sistema o isótopo pai ou radioativo e acrescenta ao sistema o produto de seu decaimento (p. ex. 87Rb transforma-se em 87Sr). Veremos no próximo capítulo que a taxa de remoção do isótopo pai é idêntica em todo o Universo e ao longo de todo o tempo, e que esse processo afeta apenas as abundâncias relativas dos isótopos radiogênicos.

3. Os raios cósmicos contêm partículas produzidas fora do Sistema Solar e sua origem ainda não é completamente entendida. A energia de algumas dessas partículas, na sua maioria prótons e partículas α, pode exceder a energia de ligação do núcleo.

• Na alta atmosfera, alguns núcleos (p. ex. nitrogênio e oxigênio) sofrem colisões com essas partículas, um processo denominado espalação.

• A maioria das partículas que chega ao solo terrestre é secundária e está relacionada à espalação.

4. A turbulência na nebulosa solar, os processos de mistura e a diferenciação planetária praticamente apagaram por completo os vestígios das heterogeneidades isotópicas originais.

• A exceção é o oxigênio, cujos isótopos apresentam efeitos de fracionamento independente da massa da Terra, na Lua, em Marte e em diferentes grupos de meteoritos, sugerindo a existência de diferentes reservatórios.

• Isótopos estáveis de carbono, nitrogênio, enxofre, hidrogênio e oxigênio são considerados, atualmente, ferramentas úteis aos geólogos, fisiologistas, ecólogos e a outros pesquisadores que estudam os ciclos de matéria e energia no ambiente.

Hidrogênio

• O hidrogênio se concentra principalmente na hidrosfera, ou seja, em oceanos, geleiras e águas doces.

• Uma fração expressiva do hidrogênio terrestre pode estar contida no manto, mas sua concentração por unidade de massa neste reservatório é muito pequena (poucas centenas de ppm).

• Como a fração mais expressiva do hidrogênio está na hidrosfera, a composição isotópica dos aquíferos praticamente não sofre modificação ao interagir com o solo e as rochas, a menos que a proporção de água subterrânea contida nos poros seja extremamente baixa.

• A razão D/H média na Terra é de cerca de 1,4 x 10-4, o que equivale a dizer que a abundância isotópica de D é de 140 ppm.

• Os isótopos de hidrogênio sofrem forte fracionamento entre vapor e água líquida, e entre vapor e gelo na faixa de temperatura da superfície terrestre, razão pela qual os valores de δD são os principais traçadores do ciclo hidrológico.

• O fracionamento entre D e H é também observado em minerais hidratados,

• A geoquímica dos isótopos de hidrogênio é uma ferramenta eficiente no estudo do ciclo hidrológico profundo e das reações de desidratação associadas ao soterramento de rochas hidratadas, tais como xistos, serpentinitos e anfibolitos, particularmente em zonas de subducção.

Oxigênio

• O oxigênio tem três isótopos estáveis de massas 16, 17 e 18, cujas abundâncias relativas médias são de 99,76, 0,037 e 0,204%, respectivamente.

• Para o oxigênio, assim como para o hidrogênio, o material de referência mais usado é a água média padrão dos oceanos (standard mearz oceanwafer, SHOW).

• O valor terrestre médio, δ18O ≈ +5,5%o, é correspondente à composição isotópica das rochas do manto, que constituem o maior reservatório geológico de oxigênio.

• A geoquímica isotópica do oxigênio fornece informações importantes no estudo de rochas ígneas e metamórficas:

• A diferenciação magmática de rochas basálticas ocorre a temperaturas de cerca de 1.100 ºC, em que praticamente não há fracionamento de isótopos de oxigênio.

• A fusão parcial em temperaturas superiores a 800 ºC não causa fracionamento isotópico.

• Amostras com desvios expressivos em relação aos valores de δ18O do manto sugerem que suas rochas-fonte sofreram processos de baixa temperatura (podendo conter rochas sedimentares ou alteradas ou foram submetidas a alteração hidrotermal ou intemperismo.

Carbono

• O carbono possui dois isótopos estáveis de massa 12 e 13, com abundâncias relativas de 98,89 e 1,11%, respectivamente.

• O padrão de δ13C é o carbonato dos fósseis de belemnites da Formação Pee Dee (Pee DeebeZemnífes, PDB), nos EUA.

• Apesar de ser menos abundante que o oxigênio, o carbono é amplamente distribuído na natureza: íons carbonato dissolvidas nos oceanos (H2CO3, HCO3

- CO32-); o carbono atmosférico; rochas

carbonáticas e o carbono do manto.

• O carbono pode se apresentar na forma reduzida (C, CH4, matéria orgânica) ou oxidada (CO, CO2).

• Ele ocorre em diferentes formas no manto, em abundâncias relativas que não são bem conhecidas. O valor médio de δ13C terrestre é, possivelmente, próximo a -7%o.