Capítulo 9_Elementos Traço e Isótopos (Resumo)

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Capítulo 9 – Elementos Traços e Isótopos
Diferentes elementos têm diferentes afinidades segundo os ambientes onde as rochas se formam.
Si fica mais tempo no liquido; 
Mg
 é capturado mais cedo 
 SIDERÓFILOS – alguns elementos metálicos (Fe, 
Pt
, Mo)
 CALCÓFILOS – alguns elementos sulfetos (S, Cu, Zn)
LITÓFILOS – alguns elementos (Si, K, Ca, REE)
 Os elementos traços têm muito baixa concentração. Não formam minerais. Entram na estrutura cristalina dos minerais maiores
.
 
Notar as mudanças nas concentrações de alguns elementos traços 
Os elementos traços 
particionam
 fortemente dentro do mineralElementos Traços 
 
Distribuição dos Elementos 
Regras de 
Goldschmid
 (simplista, mas 
util
)
PRIMEIRA REGRA: 
2
 í
ons com o mesmo 
 
raio e valência podem entrar na solução sólida em quantidade proporcional à sua concentração. 
Rb comporta-se como o K e entra no feldspato 
potássico
 e micas. 
Ni
 comporta-se como o 
Mg
 e entra na 
olivina
 e outros minerais 
máficos
. 
SEGUNDA REGRA
:
 
Se 
2
 ío
ns tem um raio similar e a mesma val
ê
ncia: o menor 
ion
 é preferencialmente incorporado no sólido em vez do liquido. 
Como 
Mg
 é menor que Fe ele vai preferencialmente para os minerais iniciais. 
TERCEIRA REGRA
: 
Se 
2
 
ions
 tem um raio similar mas com valência diferente: o 
ion
 com mais alta carga é preferencialmente incorporado dentro da solução sólida em vez do liquido. 
Cr+3 e Ti+4 preferem o s
ó
lido em vez do liquido
.
Fracionamento Químico 
Trata-se da desigual distribuição de um 
í
on entre duas fases competidoras em equil
í
brio. 
A relação 
Ca/Na
 é sempre maior no 
plagioclásio
 que no fundido.
A relação 
Mg
/Fe
 é sempre maior na 
olivina
 que no fundido
.
 
Troca em equil
í
brio de um componente 
i
 entre duas fases (sólida e líquida)
 
i
 
(lí
quido)
 = 
i
 
(s
ó
lido)
 
Kd
 = 
a
i
sólido
/
 
a
i
líquido
 
 
=
 
y
i
X
i
sólido
 
/
 
y
i
X
i
líquido
Kd
 = constante de distribuição (elementos maiores). Esta constante 
é ~
 1 para elementos maiores. Não fracionam bem 
No caso de elementos traços, 
Kd
 é 
substituido
 por 
D = coeficiente de partição (elementos traços). Nesse caso a constante varia bastante. 
Na tabela exemplo ela varia de 0,001 até 11,9. 
- 
A concentração de elementos traços segue a Lei de Henry. As atividades dos elementos variam em relação direta com suas concentrações no sistema. 
- 
Então se 
X
Ni
 no sistema dobra, a (
X
Ni
) dobrará em todas as fases do sistema. 
 
Isto não significa que a 
X
Ni
 em todas as fases é a mesma, visto que elementos traços fracionam diferentemente para cada fase. A 
X
Ni
 dentro de cada fase variará em função da concentração de 
niquel
 do sistema. 
Por exemplo: suponha 
X
Ni
 = 20 
ppm
 no sistema 
 
X
Ni
 na 
olivina
 pode ser 100 
ppm
 
 
X
Ni
 no 
plagioclasio
 pode ser 1 
ppm
 
 
X
Ni
 no liquido pode ser 10 
ppm
 Dobrando 
X
Ni
 no sistema para 40 
ppm
: 
Ol
 
 200 
ppm
, 
Plag
 
 2
 
ppm
 e liquido 
 20 
ppm
 
 
 Compatíveis (com o sólido) se D > 1 Incompatíveis (com o sólido) se D < 1 
Elementos Incompatíveis: são aqueles concentrados no fundido (liquido) 
KD ou D « 1. O KD « 1. Ele é incompatível. Ex: Entra pouco Rb na olivina)
Elementos Compatíveis: são aqueles concentrados no sólido 
KD ou D » 1. O KD » 1. Ele é compatível. Ex: Entra muito Ni na olivina)
Em uma solução diluida pode-se substituir KD por D
 
D = CS / CL ; Onde CS = concentração de algum elemento na fase sólida e CL = concentração de algum elemento na fase liquida.
Desde que a concentração do elemento traço (diferente dos elementos maiores) em qualquer fase seja proporcional a concentração total daquele elemento, usa-se uma constante mais conveniente. Ela é comumente referida como "D" (embora alguns autores ainda usem KD) e, assim, ela é chamada de coeficiente de partição 
 
 D = C(S)/C(L)
 
Onde CS e CL são as concentrações do elemento traço nas fases solidas e liquidas, respectivamente (valores diretos de wt% ou ppm). 
Quando a concentração do elemento ocorre de forma muito diluída, D tende a ser constante. 
Elementos incompatíveis formam dois sub-grupos, baseados na razão da valência e raio iônico 
- Tendo menor razão e sendo altamente carregado são chamados high field strength (HFS) elements (REE, Th, U, Ce, Pb4+, Zr, Hf, Ti, Nb, Ta)
- Tendo maior razão e sendo fracamente carregado são chamados large ion lithophile (LIL) (K, Rb, Cs, Ba, Pb2+, Sr, Eu2+) são geralmente mais móveis, sobretudo se houver uma fase fluida envolvida. 
- Elementos incompatíveis concentram-se no liquido 
- Refletem a proporção do liquido em uma dada etapa de cristalização ou fusão 
Em uma rocha, pode-se determinar o coeficiente de distribuição (KD) ou coeficiente de partição (D) para qualquer elemento i, calculando-se a contribuição do elemento i de cada mineral da rocha. Trata-se do coeficiente de distribuição total D definido pela equação.
Comportamento dos Elementos Traços 
A concentração de um elemento maior no mineral é usualmente tamponado pelo sistema, tanto que ele varia pouco no mineral com a variação da composição do sistema.
A uma dada T pode-se variar Xbulk da relação Mg/Fe, de 35 70 % sem mudar a composição do fundido ou da olivina 
As concentrações dos elementos traços seguem a Lei de Henry, visto que suas atividades variam em relação direta com suas concentrações no sistema 
Assim, se XNi no sistema dobra, a XNi em todas as fases dobrarão 
Em função disso, as razões dos elementos traços são freqüentemente superiores à concentração de um único elemento na identificação do papel de um mineral específico 
K/Rb é freqüentemente usada tomando-se como exemplo o anfibólio na rocha fonte 
K & Rb têm comportamento muito similares, assim K/Rb pode ser constante 
Se quase todo o K e Rb reside no anfibólio, ele terá um D de cerca de 1.0 para K e 0.3 para Rb 
Sr e Ba são também elementos incompativeis. O Sr é excluido dos minerais mais comuns exceto o plagioclasio. O Ba de maneira similar é também excluido, exceto no ortoclásio. Então Ba/Sr aumenta com a cristalização do Plagioclásio e decresce quando o ortoclásio começa a cristalizar.
Ba/Sr ajuda a identificar a relação K-Feldspato vs Plagioclásio 
Ambos são incompatíveis, concentrando-se nos primeiros liquidos da fusão parcial (ou nos primeiros liquidos da cristalização fracionada)
Os efeitos dependem das fases minerais envolvidas 
Sr é excluído dos minerais mais comuns, exceto o plagioclásio 
Ba também é excluído exceto do ortoclásio 
Assim a razão Ba/Sr aumenta com a cristalização do plagioclasio, mas decresce quando ortoclásio começa a cristalizar 
Exemplo para elementos Compatíveis: 
Ni é fortemente fracionado na olivina > piroxênio
Cr e Sc são fortemente fracionados nos piroxênios » olivina 
Ni/Cr or Ni/Sc podem distinguir os efeitos da olivina e piroxênio (augita) no liquido parcialmente fundido ou de uma suíte de rochas produzidas por cristalização fracionada.
Nos casos acima, usando razões, a idéia é encontrar um mineral com um único par de elementos para o qual ele sozinho tem um relativamente alto valor de D para um elemento e, um relativamente baixo valor de D para o outro. A razão desses elementos é então sensível, somente para o fracionamento liquido/cristal associado com aquele mineral particular. 
Modelos de Evolução do Magma
FUSÃO PARCIAL
 
O magma permanece residente na câmara até que em algum ponto ele é 
liberado movendo-se paracima. 
Ocorre nos processos de fusão em equilíbrio com variável % de fundido. 
Quando F 
 1 a concentração de todo elemento traço no liquido = a rocha fonte (C
L
/C
O
 
 1)
Elementos altamente incompat
í
veis 
Grandemente concentrado na fração inicial do fund
ido sendo subseqüentemente diluí
do quando 
F
 aumenta
.
 
Exemplo para elementos compatíveis (D
i
 » 1.0)
Muito baixa concentração no fundido 
Especialmente para baixas % de fusão (baixo F)
 
Valores de F 
>
 0.4 
é
 improvável para fusão parcial desde que grandes quantidades de magma poderiam se separar e subir 
.
Variação na concentração relativa dos elementos traço no liquido vs. rocha fonte como uma função de D e a função fundida
Se conhecermos CL no magma formado por fusão parcial, e se conhecemos Di pode-se estimar a concentração daquele elemento na região fonte (CO)
 Bom para caracterizar rochas fonte. 
Para elementos muito incompatíveis quando Di 0 a Equação reduz para CL / CO = 1 / F
Se nos sabemos a concentração de um elemento muito incompatível, no magma e na rocha fonte, pode-se determinar uma fração do fundido produzido por fusão parcial. 
Exemplo resolvido para Fusão parcial: Rb e Sr 
Basalto com a moda: 
 
1. Converte-se para peso % minerais (Wol Wcpx etc.)
 2. Usa-se a equação Di = WA Di e a tabela com valores de D para Rb e Sr para cada mineral para calcular o coeficiente de distributção total : DRb = 0.045 and DSr = 0.848
3. Usa-se a equação da fusão parcial para calcular CL/CO para varios valores de F.
4. Plota-se CL/CO vs. F para cada elemento 
 
Mudança na concentração de Rb e Sr no fundido derivado do progressiva fusão parcial de uma rocha basáltica consistindo de plagioclásio, augita e olivina. 
Resultados:
Rb (incompatível) (nenhum mineral de K) é concentrado fortemente na pequena e inicial proporção de fundido (baixo F)
Assim, mede-se o progresso da cristalização fracionada (pelo menos até metade da rocha fundida)
Com o progresso da fusão, o elemento incompatível é gradualmente diluído entre os mais compatíveis 
Desde D(Sr) se aproxima de 1.0, a razão Rb/Sr vs. F é aproximadamente a mesma 
Qualquer razão de incompatível para compatível poderia ser sensível em relação ao grau de fusão parcial (pelo menos nos estágios iniciais).
Importante para sistemas isotópicos Rb/Sr 
Notar que pode se criar uma série de fundidos de uma única fonte cada uma com diff Rb/Sr 
Fusão Parcial Incremental
 Calcula-se a fusão parcial considerando-se sucessivas fornadas (mesma equação)
Deve-se recalcular Di através das mudanças nos sólidos visto que os minerais são seletivamente fundidos (computador)
CRISTALIZAÇÃO FRACIONADA
1. Os cristais permanecem em equilibrio com cada incremento de fundido 
Pode ser considerado o inverso da fusão parcial incremental
A equação poderia ser ainda aplicada Batch FX: F = proporção do liquido remanescente 
Fracionamento de Rayleigh
O outro extremo: separação de cada cristal quando ele se forma = cristalização fracionada perfeitamente continua na câmara magmática 
Rayleigh: os cristais formam-se e acumulam-se isolados da reação com o liquido remanescente 
Fracionamento de Rayleigh
O outro extremo: separação de cada cristal quando ele se forma = cristalização fracionada perfeitamente continua na câmara magmática 
A concentração de alguns elementos no liquido residual, CL é modelado pela equação de Rayleigh :
CL/CO = F (D -1)	Rayleigh Fractionation
Outros modelos que também podem ser usados:
Mistura de magmas
Assimilação das paredes das câmaras magmáticas 
Combinação de processos 
Contrastes e similaridades nos valores de D (coeficiente de partição)
LREE - La até Sm 
HREE - Tb até Lu
Notar: HREE são mais compativeis, especialmente nas granadas 
Eu 2+ concentra-se mais nos plagioclásios 
Diagramas REE
Plotes” da concentração na ordenada (eixo do y) contra o aumento do numero atômico 
Grau de compatibilidade aumenta da esquerda para a direita através do diagrama 
Elimina o efeito Oddo-Harkins e torna a escala do Y mais funcional normalizando-a para um padrão estimativa das REE do manto primordial
Concentratrações dos REE nos meteoritos chondriticos 
Diagrama REE usando o modelo fusão parcial de um lherzolito a granada para varios valores de F
Calculado D(La) para lherzolito e modelo conc. em fundido para F = 0.1 
LREE são menos compatíveis que HREE, dando melts enriquescidos em LREE -> inclinações (-) 
Inclinação é mais pronunciada para baixos valores de F (baixa % de fusão parcia)
 F 1, inclinação 0 visto que S/C = 1 desde que todas as amostras do manto sejam fundidas 
Note novamente o uso da Razão para -> inclinação do REE 
Razão La/Lu REE slope
Tb/Lu para HREE somente Gt 
La/Sm LREE somente 
Diagrama REE para 10% batch 
melting
 de um
 
hypothetico
 
lherzolito
 com 20% de 
plagioclasio
, resultando em uma pronunciada anomalia negativa de Eu. Anomalia de Eu quando plagioclasio é um fenocristal fracionado ou um sólido residual na fonte
Eu* é o valor que o Eu “poderia” ter se Eu+2 não fosse capturado pelo plagioclásio 
Outro exemplo de como as razões podem ajudar 
Európio somente é inconclusivo (baixo REE de baixo Eu)
Sm/Eu tem inclinação ou anomalia de Eu (Use Eu*/Eu de qualquer modo)	
Spider Diagramas 
Extensão da técnica dos REE normalizados utilizando-se mais elementos traços
Spider diagramas normalizados pelo condrito são comumente organizados com o aumento 
da compatibilidade da esquerda para a direita 
Different estimates different ordering (poor standardization)
Ordem dos elementos baseada na estimativa do aumento da compatibilidade da esquerda para a direita segundo uma típica rocha 
mantélica
 submetida 
a
 fusão parcial 
 Elementos são todos
 
incompativeis
 (D<1) durante muitos processos de fusão parcial e cristalização fracionada. 
As principais exceções são:
 
Sr, que pode ser compatível se 
plagioclasio
 for envolvido,
Y e Yb com relação a granada 
Ti com relação 
a
 magnetita 
Através da presença/interpretação desses
 
elementos se pode indicar o respectivo envolvimento desses minerais 
 Basaltos Oceânicos 
com alto grau de fusão parcial, seus 
spider
 diagramas podem refletir os padrões dos elementos traços de suas 
fontes
 
Elementos mais compatíveis no lado direito podem ser menos 
enriquescidos
 durante a fusão parcial (particularmente se 
for em
 pequeno grau), incli
nando a curva para a esquerda 
 
inclinaçào
 (-) 
Adicionalmente, cristalização 
fracìonada
 subsequente do magma segregado da fonte pode inclinar o 
padrão 
Spider
 diagrama para um basalto alcalino de 
Gough
 
Island
, 
Atlantico
 Sul Segundo
 
Sun e 
MacDonough
 (1989). 
Aplicação dos Elementos Traços nos Sistemas Ígneos 
1.Use elementos traços nos diagramas de variação para documentar cristalização fracionada, assimilação, etc. em uma suite de rochas 
Mais sensivel maior variações com a continuidade do processo 
2.Identificação da rocha fonte ou de um mineral particular envolvido, tanto nos processos de fusão parcial quanto na cristalização fracionada 
Granada concentra os HREE
Então granada está em equilibrio com o fundido (deixando uma fase residual na fonte) com expectativa de uma íngrime inclinação (-) no padrão de REE e HREE
Fusão parcial rasas (< 40 km) do manto terá plagioclasio no resíduo resultando em uma anomalia de Eu 
Efeito da Granada e Plagioclásio sobre os padrões de HREE
 
Um breve sumário de algumas particularidades dos elem. traços em Petrologia Ígnea
Elementos Traços como uma ferramenta para determinar ambientes paleotectônicos 
Uteis em rochasdos mobile belts onde não são reconhecíveis seus ambientes originais 
Os elementos traços podem ser discriminantes de ambientes igneous?
Aproximações são empíricas com base em ocorrências modernas 
Concentram-se nos elementos imóveis durante baixo/medio grau metamorfico 
São interpretações ambiguas pois as variáveis são muitas como: rocha encaixante, % de fusão parcial, % de cristalização fracionada 
Considerados imóveis e são uteis na identificaçào dos protólitos: Ti, Zr, Y e Hf 
Isótopos Estáveis 
Estável: permanece para sempre 
Fracionamento químico é impossivel 
Fracionamento de massa é o unico tipo possivel 
Diferenças de Massa « diferenças químicas, tanto que fracionamento de massa é sempre pequeno, mas, algum fracionamento pode ocorrer durante reações. 
Se algum fracionamento de massa ocorre, os isótopos leves ficam mais no vapor liquido sólido
A eficiência do fracionamento de massa = f (diferença de massa / massa total)
	204Pb - 205Pb não fraciona porque diferença de massa é somente 0,5% da massa total
	1H -3H fraciona bem porque 3H tem 3 vezes mais massa que 1H 
O estudo de isótopos estáveis são usualmente limitados ao enxofre e elementos mais leves 
Isótopos estáveis podem dar informações sobre:
	- T
	-indicação de fontes 
	-historia da evolução 
Exemplo: Isótopos de Oxigênio
16O 99.756% do oxigênio natural
17O 0.039% do oxigênio natural		
18O 0.205% do oxigênio natural	
Concentrações expressas se referindo a um padrão. Padrão internacional para isótopos de O = standard mean ocean water (SMOW).
18O e 16O são os isótopos mais comumente usados e suas razões são expressas por :
 δ(18O/16O) = (18O/16O)amostra - (18O/16O)SMOW X 100
 (18O/16O)SMOW
Resultado expresso em partes por bilhão (‰)
Fases enriquescidas em 18O com relaçào ao SMOW tem valores de 
Fases depletadas em 18O com relaçào ao SMOW tem valores de 
O que significa  para água meteórica?
Evaporação da água do mar vapor d’água 
(nuvens) carrega o 16O que é mais leve e assim as nuvens têm Fases depletadas em 18O com relação ao SMOW tem valores de 
 Isótopos leves 16O) são enriquescidos no vapor > liquido 
 Bastante eficiente, desde que fracionamento de massa = 1/8 de massa total
Isótopos Estáveis são úteis para entender contribuição relativa de vários reservatórios, cada um com assinaturas isotópicas distintas 
Isótopos de O e H – águas juvenis vs. meteoricas vs. águas de salmouras 
18O de rochas do Manto sedimentos retrabalhados na superfície- : evolução da contaminação de magmas derivados do Manto por sedimentos crustais 
Isótopos Radioativos
 Isótopos Instáveis decaem para outros nuclideos 
A taxa de decaimento é constante e não é afetada por P, T, X…
Nuclideo Pai = nuclideo radioativo que decai 
Nuclideo(s) Filho são produtos radiogênicos atômicos 
Variações isotópicas entre as rochas são devido a:
1. Fracionamento de Massa (como para isótopos erstáveis)
Somente ocorre para isotopos leves: H, He, C, O,S
2. Filhos produzidos em variadas proporções resultante de eventos previos de fractionamento químico
40K 40Ar por decaimento radioativo 
Basalto riolito por FX (em um processo de fracionamento químico) riolito tem mais K que basalto 
40K mais 40Ar durante o tempo em riolito que no basalto 
40Ar / 39Ar será diferente em cada 
3. Tempo
Quanto mais longo o decaimento 40K 40Ar maior a diferença de idade entre o basalto e o riolito 
O Sistema K-Ar 
40K ambos 40Ca ou 40Ar
 40Ca é comun. Não se pode distinguir 40Ca radiogenico do 40Ca não radiogenico 
 40Ar é um gas inerte que não pode ser trapeado em muitas fases sólidas quando ele se forma dentro desta fase solida 
Quando a rocha plutônica é esquentada todo a Ar escapa, “fechando o relógio radiometrico” – todos os filhos são removidos. A rocha começa a cristalizar com a produção de novos filhos vindos do 40K. O problema é que esta rocha demora de cristalizar e filhos são produzidos nesse periodo tornando a idade obtida não muito acurada 
Quando uma rocha vulcânica se forma, o relogio é fechado rapidamente, e 40Ar que acumula-se depois deve ser filho do 40K 
As temperaturas de bloqueio diferem para os diversos minerais mais utilizados no sistema K-Ar 
A técnica 40Ar-39Ar cresceu com esta descoberta 
O esquentamento da amostra libera Ar em tempos diferentes para vários minerais -> diversas idades refletem a historia termal da rocha 
Pode-se usar para isto -> taxa de levantamento de cinturões orogênicos erodidos 
Sistema Rb-Sr 
 87Rb 87Sr + uma particula beta ( = 1.42 x 10-11 a-1)
 Rb comporta-se como K micas e Kfeldspar 
 Sr comporta-se como Ca plagioclasio e apatita (mas não clinopiroxenio)
 88Sr : 87Sr : 86Sr : 84Sr media amost = 10 : 0.7 : 1 : 0.07
 86Sr é um isotopo estavel e não é criado pela quebra de qualquer outro PAI
87Sr é estável e o Sr não radiogenico estão presentes em aprox. qualquer rocha 
A quantidade de 87Sr em qualquer rocha = original 87Sr + radiogenico 87Sr vindo a partir do 87Rb durante o tempo
Então a rocha terá uma idade ambigua se voce não conhece qual % ou 87Sr radiogenico 
A tecnica isocronica é usada para resolver este problema 
Técnica Isocrônica 
Requer 3 ou mais amostras cogenéticas com uma quantidade razoável de Rb/Sr 
Podem ser: 3 rochas cogenéticas derivadas de uma unica fonte por fusão parcial, cristalização fracionada, etc.
Depois de algum incremento de tempo (t0 t1) cada amostra perde algum 87Rb e ganha uma equivalente quantidade de 87Sr.
Resultado: a1 b1 e c1 são ainda colineares. Inclinação = f(t). Intercepta eixo do y = (87Sr/86Sr)o
No tempo t2 cada rocha no sistema evoluiu nova reta, com pontos ainda colineares e mais inclinada 
Técnica isocrônica produz 2 válidas “premissas”: 1. A idade das rochas (com uma inclin. = t)
 2. (87Sr/86Sr)o = valor inicial de 87Sr/86Sr
 
Isocrona
 Rb-Sr para o 
pluton
 de 
Eagle
 
Peak
, 
Sierra
 Nevada 
Batholith
 central, 
California
, USA. 
Circulos
 Cheios são análises de rocha total, 
c
irculos
 abertos são 
hornblendas
 separadas. Dados da equaçã
o de regressão são também mostrados.
 
Evolução 
isotopica
 estimada do Rb e Sr do Manto superior da Terra, assumindo um evento de fusão em larga escala produzindo rochas graníticas do tipo continental a 3.0 
Ga
 
b.p.
 
O Sistema Sm-Nd 
1. Ambos Sm e Nd são LREE
São elementos incompatíveis que fracionam nos fundidos 
 Nd tem mais baixo Z maior liquido > que Sm 
147Sm 143Nd por alpha decaimento 
 = 6.54 x 10-13 a-1 (meia vida 106 Ga)
Equação do decaimento derivada em relação ao 144Nd não-radiogênico 
	143Nd/144Nd = (143Nd/144Nd)o + (147Sm/144Nd)t 
O Sistema U-Pb-Th 
Sistema Muito Complexo 
3 radioativo isótopos de U: 234U, 235U, 238U
3 radiogênico isótopos de Pb: 206Pb, 207Pb, and 208Pb
Apenas 204Pb é estritamente não-radiogênicois 
U, Th, e Pb são elementos incompatíveis, & concentram-se em derretimento precoce
Composição Isotópica de Pb em rochas = função de
 238U 234U 206Pb	( = 1.5512 x 10-10 a-1)
 235U 207Pb ( = 9.8485 x 10-10 a-1)
 232Th 208Pb ( = 4.9475 x 10-11 a-1)