Controle de mudanças estruturais sob altas pressões e altas temperaturas da esmectita saturada em potássio

Abstract

O manto litosférico é depletado em elementos incompatíveis como potássio, rubídio e estrôncio, confinado sob altas condições de pressão e caracterizado por uma composição e mineralogia específicas: espinélios anidros e/ou granada lherzolitos e harzburgitos. Esta região pode ser hidratada e enriquecida em elementos incompatíveis (ex. potássio) através de processos de subducção, onde a placa oceânica subductada leva consigo material pelágico composto de argilominerais e filossilicatos. A transferência de massa entre a placa subductada com os sedimentos e a cunha mantélica ocorre primeiramente através da liberação de fluidos aquosos gerados pela devolatilização de minerais hidratados. Neste contexto, a esmectita destaca-se como um dos mais importantes minerias responsáveis pelo enriquecimento do manto litosférico em água e elementos incompatíveis, quando sua estrutura é desestabilizada. Com o aumento da pressão e temperatura, esmectitas perdem sua água interlamelar, ao mesmo tempo em que se transformam em camadas mistas esmectita-ilita. Nestas condições de desidratação, e com o aumento da pressão, mudanças estruturais ocorrem e, havendo potássio disponível no sistema, o argilomineral evolui para uma mica muscovita. Considerando este contexto, o presente trabalho tem como objetivo verificar o comportamento estrutural da esmectita saturada em potássio modificando as variáveis pressão e temperatura: (1) sob pressão atmosférica em diferentes temperaturas (100º a 700ºC); (2) sob pressão de até 11.5 GPa sem temperatura - Diamond Anvil Cell (DAC); (3) sob diferentes pressões com aplicação de temperatura: 2.5GPa (400º a 700ºC) e 4.0GPa (200º a 700ºC). Os resultados das técnicas de análise de Difração de raios X, Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET) e Espectroscopia por Infravermelho (FTIR) sugerem que, sob uma pressão de 2.5 GPa, que é cerca de 75km de profundidade no manto, e a aproximadamente 500ºC, a esmectita transforma-se em muscovita, enquanto sob a pressão de 4.0 Gpa, equivalente a cerca de 120 km de profundidade, a mesma transformação ocorre a 400ºC. Estes resultados contribuem significativamente para o entendimento de como a desidratação do sedimento pelágico ocorre em um processo de subducção, bem como o comportamento da esmectita sob a influência do aumento de pressão e temperatura.

The lithospheric mantle is depleted regarding to incompatible elements as potassium, rubidium and strontium, confined under pressure conditions and characterized by a specific mineralogy and composition, basically as anhydrous spinel and/or garnet lherzolite and harzburgite. This region can be hydrated and enriched in incompatible elements (e.g. potassium) through subduction processes that bring pelagic material, composed of clay minerals and other phyllosilicates, together with the hydrated subducted oceanic slab. A mass transfer from the subducted slab plus sediments into the mantle wedge occurs primarily through the release of aqueous fluids produced by devolatilization of hydrated minerals. In this context, smectite stands out as one of the most important minerals responsible for enriching the lithospheric mantle with water and incompatible elements when its structure is destabilized. By pressure and temperature increasing smectite lose its interlayer water, at the same time that it transforms into a mixed-layer illite-smectite. In this condition of dehydration and with increasing pressure, structural changes occur and, having potassium available on the system, the clay mineral evolves into a muscovite mica. Considering this context, we verified the structural behavior of potassium saturated smectite modifying variables pressure and temperature: (1) under atmospheric pressure at different temperatures (100º to 700º C); (2) under pressure up 11.5 GPa without temperature - Diamond Anvil Cell (DAC); (3) under different pressures with temperature application: 2.5 GPa (400º to 700º C) and 4.0 GPa (200º to 700º C). The results of the analysis techniques of X-ray diffraction, Scanning Electron Microscopy (SEM), Transmission Electron Microscopy (TEM) and Infrared Spectroscopy (FTIR), suggest that under the pressure of 2.5 GPa, which is about 75km depth in the mantle, and at around 500ºC smectite transforms into muscovite, while under the pressure of 4.0 GPa, equivalent to around 120km depth, the same transformation occurs at 400ºC. These results contribute significantly to understanding how pelagic sediment dehydration occurs in a subduction process, as well as the behavior of smectite under the influence of increasing pressure and temperature.