Esmectitas dioctaédricas como transportadores de nitrogênio em zonas de subducção : uma visão experimental acerca da sua contribuição ao nitrogênio atmosférico

Abstract

O nitrogênio compõe cerca de 78% da massa da atmosfera terrestre e é um elemento imprescindível para a construção e manutenção da vida. Porém a abundância de nitrogênio atmosférico da Terra é anômala quando comparada a dos demais planetas telúricos. Isso significa que ou a acresção para esses planetas foi diferente (o que é pouco provável) ou a Terra possui alguma característica única que permita a existência de grandes volumes de nitrogênio em sua atmosfera. A tectônica de placas poderia ser essa característica, uma vez que propicia uma conexão direta entre o manto e superfície (ao mesmo tempo em que material é expelido do manto para a superfície, material é transportado da superfície para o manto). Nesse contexto, este trabalho objetiva compreender, através de simulações em laboratório, o papel das zonas de subducção no transporte global do nitrogênio. Para tal, submeteu-se um material que simula sedimentos pelágicos (esmectitas dioctaédricas) dopado com amônio (NH4-esmectita) a diversas condições de pressão e temperatura: desde pressão ambiente até 7.7 GPa (equivalente a ~270 km de profundidade) e com temperaturas variando entre 200oC e 700oC. Os experimentos foram realizados em uma prensa hidráulica de 1000 tonf com câmaras de perfil toroidal e em um forno de alta temperatura e foram analisados por difração de raios X (DRX), espectroscopia infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR) e por imageamento SE-MEV-EDS Além disso, o material inicial foi caracterizado por análise térmica diferencial (DTA) e análise química CHN. Os resultados mostram que as transformações de fase sofridas pela NH4-esmectita agem no sentido de preservar o amônio na estrutura durante o processo de subducção. Também foram observadas fases de pressões mais elevadas capazes de conter amônio (buddingtonita, a 7.7 GPa). Percebeu-se que o regime termal da subducção é fundamental para a eficiência do transporte de nitrogênio, visto que em subducções quentes (litosferas oceânicas jovens que subductam em baixo ângulo) ocorre a fusão parcial do material com liberação de parte do amônio em pressões relativamente baixas (~1 GPa, equivalente a 30 km de profundidade). Por outro lado, em subducções frias (litosferas oceânicas antigas que subductam em alto ângulo) o material aprisiona de forma eficiente o nitrogênio até ~270 km de profundidade (7.7 GPa).

Nitrogen composes around 78 wt% of Earth’s atmosphere and is a vital element for the construction and maintenance of life. However, the abundance of Earth’s atmospheric nitrogen is anomalous when compared to the one from other inner planets. This means that or accretion for these planets was different (which is unlikely) or Earth possesses a unique feature that allows the existence of large volumes of nitrogen in its atmosphere. Plate tectonics could be this feature, since it propitiates a direct connection between mantle and surface (at the same time that material is expelled by the mantle in to the surface, material is transported from the surface in to the mantle). In this context, these work objectives the understanding, through laboratoty simulations, the role of subduction zones in the global transport of nitrogen. For that, a material that simulates pelagic sediments (dioctahedral smectite) doped with ammonium (NH4-smectite) was subjected to a series of pressure and temperature conditions: from ambient pressure up to 7.7 GPa (equivalent to ~270 km depth) and temperatures varying between 200oC and 700oC. Experiments were performed in a 1000 tonf hydraulic press with coupled toroidal chambers and in a high temperature furnace and were analyzed by X ray diffraction (XRD), Fourier Transform infrared spectroscopy (FTIR) and SE-SEM-EDS imaging. Additionally, the starting material was characterized by differential thermal analysis (DTA and CHN chemical analysis Results show that phase transformations suffered by NH4-smectite tend to preserve ammonium inside the mineral structure during subduction. Also, high-pressure ammonium bearing phases were observed (budingtonite at 7.7 GPa). It was perceived that the thermal setting of the subduction is fundamental for the efficiency of nitrogen’s transportation, as in hot subductions (young oceanic lithospheres subducting at low angle) partial melting with partial liberation of ammonium occur in relatively low pressures (~1 GPa, equivalent to 30 km depth). On the other hand, in cold subductions (ancient oceanic lithopsheres subducting at high angles) the material efficiently imprisons nitrogen until ~270 km depth (7.7 GPa).