Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
Geoquímica I Introdução à disciplina; Origem dos Elementos Químicos, do Sistema Solar e da Terra Universidade Federal de Sergipe Departamento de Geologia Professor: Carlos Marques de Sá Sumário • Introdução – Objectivos – Ementa da Disciplina – Metodologia e Avaliação – Regras – Introdução, História e Relevância da Geoquímica • Origem dos elementos químicos, sistema solar e Terra. 2 Geoquímica I • Bem vindos à disciplina de Geoquímica I, componente do 3º período do curso de graduação em Geologia! 3 Objetivos da Disciplina • Providenciar conhecimentos teóricos de geoquímica de índole geral, com destaque para os processos geoquímicos de baixa temperatura. • Providenciar treino na interpretação e resolução de questões e problemas geoquímicos da matéria leccionada. 4 Ementa da Disciplina • Origem dos elementos químicos, sistema solar e Terra. • Estrutura atômica e ligações químicas. • Classificação geoquímica e distribuição dos elementos. • Composição das geosferas. • Geoquímica dos processos exógenos. • Intemperismo químico. • Geoquímica analítica. • Princípios da geoquímica isotópica e da geoquímica orgânica. 5 Metodologia e Avaliação • Aulas Teóricas • Aulas Práticas • Avaliação por Exames Escritos • Horário de dúvidas • Regras da Disciplina 6 Metodologia • Aulas teóricas – expositivas. • Aulas práticas – Resolução de problemas e exercícios e aulas laboratoriais. 7 Metodologia da Disciplina • Atendimento extra aula todas as semanas por duas horas em horário a combinar com os alunos via contacto por email. • Fornecimento de apontamentos da disciplina. • Aula de Revisão teórico-prática. • Actividades laboratoriais e visitas de Estudo (se possível). 8 Regras da Avaliação • A avaliação será constituída por duas provas. A média aritmética final destas duas avaliações deve ser igual ou maior que cinco para aprovação na disciplina. • Alunos com número de faltas superior a 25% serão reprovados por falta. • Provas individuais e sem consulta. Proibido o uso de quaisquer aparelhos ou acessórios não autorizados. 9 Regras das Aulas • É terminantemente proibido o uso de celular durante as aulas. • Não é permitida a gravação de imagens ou de som durante as aulas. • Não é permitido perturbar o bom funcionamento das aulas. • Não é permitido aos alunos conversar ou falar, exceto em caso de tirar uma dúvida, devendo esperar pela oportunidade de o fazer. 10 Introdução • Geoquímica – estuda as leis que governam a distribuição dos elementos químicos e seus isótopos na Terra. (Goldschmidt) 11 Compreender a distribuição e leis que governam os elementos químicos na Terra e no Sistema solar… Da escala macroscópica… à escala microscópica Objetivos da Geoquímica 1. Conhecer a distribuição dos elementos químicos na Terra (e no Sistema Solar); 2. Descobrir as causas das composições químicas observadas na natureza em materiais Terrestres (e extraterrestres); 3. Estudar as reações químicas, na superfície da Terra, no seu interior e no Sistema Solar; 4. Construir modelos de ciclos geoquímicos para saber como estes operaram no passado e como podem ser alterados no futuro. 12 A Importância da Geoquímica • O desenvolvimento da espécie Humana seria absolutamente impossível sem a utilização dos recursos minerais. • A Geoquímica, como parte da Geologia, produz um acervo de conhecimentos imprescindíveis à correta interpretação do sistema Terra, permitindo a exploração dos recursos minerais de forma consciente e sustentável, além de providenciar o suporte científico para a compreensão da Terra e do Universo, promovendo o progresso e desenvolvimento da humanidade. 13 Potencialidades da Geoquímica 14 A Geoquímica desenvolve-se actualmente em diversas áreas fronteiras da ciência e de estudos interdisciplinares, sendo assim uma área com grande potencial de inovação e desenvolvimento, no que concerne à ciência e às tecnologias. Um Pouco de História Bunsen & Kirchoff (séc. XVIII) – Invenção do espectrógrafo de emissão ótica; identificação de numerosos elementos. Schönbein, C.F. (1799-1868) – Primeiro a utilizar o termo “geoquímica”. Inventou a célula de combustível (1838) e estudou o ozono e a nitrocelulose. Mendeleyev, D.I. (1834-1907) – Descobre a lei periódica dos elementos químicos como função dos seus pesos atómicos e prediz a existência de diversos elementos e suas propriedades. Clarke, F.W. (1847-1931) – Um dos “Pais da Geoquímica” – determinou a composição química da crusta terrestre; Director do USGS, o seu tratado de geoquímica é um clássico ainda actual. Vernadsky, V.I. (1863-1945) – Juntamente com Goldschmidt e Clarke um dos “pais” da geoquímica – fundador também da biogeoquímica e da radiogeologia. Conceitos de geosferas e da vida (a biosfera) como agente geológico. Fersman, A.Y. (1883-1945) – Grande divulgador da geoquímica, descobridor dos jazigos de Ni da península de Kola entre outros na ex-URSS. Goldschmidt, V.M. (1888-1947) – O “Pai da Geoquímica” – Classificação geoquímica dos elementos, sua abundância, afinidades e estruturas dos minerais, primeira utilização de termodinâmica nos estudos geológicos, primeira utilização de DRX em minerlogia, etc… 15 Origem dos Elementos Químicos, Sistema Solar e Terra 16 Nebulosa planetária – Tudo provem das Estrelas… Origem dos Elementos Químicos • O Big Bang iniciou-se como uma bolha num lago… 17 • Tudo começou há 13,8 biliões de anos… • Inicialmente (10-32 seg.) formou-se uma sopa de quarkes (partículas elementares da matéria). Origem dos Elementos Químicos • À medida que o universo se expandia ia arrefecendo e a energia das partículas ia diminuindo. • A 10-6 seg. quarks e gluons combinaram-se para formar protons e neutrons. • A 13,8 seg, e uma T = 3 x 109 °K começam a formar- se núcleos de 2H e He. (nota: 0°C = 273,15K). Este processo chama-se nucleossíntese do Big Bang. • 379.000 a 700.000 anos depois, com a temperatura a cerca de 3 x 103 K, eletrons unem-se aos núcleos de H e He; matéria separa-se de radiação; e finalmente inicia-se formação de estrelas e galáxias… 18 Origem dos Elementos Químicos 19 • A radiação separada da matéria continou como relíquia pelo espaço sendo conhecida como microondas de radiação cósmica de fundo. • A química da vida começou pouco depois do Big Bang, quando o Universo tinha apenas 10 a 17 milhões de anos. Origem dos Elementos Químicos • Como sabemos tudo isto? • Existem quatro pistas fundamentais: • Expansão do Universo – red-shift de linhas espectrais emitidas por galáxias distantes – efeito doppler (Hubble, 1929); • “Eco da bola de fogo” – radiação cósmica de micro- ondas (Penzias & Wilson, 1964); • Abundância de elementos primordiais – H, He; • Observação da formação e evolução das galáxias e de mega-estruturas cósmicas. 20 Origem dos Elementos Químicos Matéria no Universo: • Clusters de galáxias • Galáxias • Estrelas, pulsares e buracos negros • Planetas • Satélites • Cometas • Asteróides • Meteoritos • Partículas de poeira • Moléculas • Átomos de H e He 21 Entre as galáxias e as estrelas existem raios cósmicos e fótons. 96% do Universo é matéria negra e energia negra. Origem dos Elementos Químicos Diagrama de Herzsprung-Russel de evolução estelar – a luminosidade de uma estrela é proporcionalà sua massa e a sua cor ou temperatura superficial é um indicador do seu volume. O Sol é uma estrela de massa intermédia e com uma temperatura à superfície de cerca de 5800 K. 22 Origem dos Elementos Químicos • Uma estrela forma-se quando nuvens moleculares sofrem instabilidade gravitacional devido a regiões mais densas, causadas por radiação de outras estrelas, colisões de galáxias, ou de outras nuvens moleculares. Quando uma região é suficientemente densa colapsa sob a sua própria gravidade. Gás e poeiras aglutinam-se e a energia gravitacional é transformada em calor. • Nas estrelas a matéria é criada por reações nucleares – a nucleossíntese. Esta pode dar-se em estrelas de massa intermédia, estrelas gigantes (>10Mo) e supernovas tipo II associadas e em supernovas de tipo Ia. 23 Origem dos Elementos Químicos • Núcleosíntese: • Os elementos químicos começaram por ser criados no Big Bang (1-2H, 3-4He, 7Li, 7Be) e estão sendo criados nas reacções nucleares que ocorrem nas estrelas, em explosões de supernovas e por espalhamento de raios cósmicos. 24 • As estrelas passam 90% do seu tempo em reações de fusão de H em He que se dão a altas p e T no seu núcleo • Cadeia Próton-Próton – processo de nucleossíntese nas estrelas Burbidge, Burbidge, Fowler, Hoyle (1957). Origem dos Elementos Químicos 25 • Mas na núcleossíntese do Big Bang não se pode formar nenhum elemento mais pesado que o 7Li… • As estrelas geram energia pela fusão de H. Síntese de He por cadeia protón-protón. Processo P-P dá-se a uma temperatura de 10x106 K no interior das estrelas e é fonte de energia para as estrelas de primeira geração. Cadeia Próton - Protón Origem dos Elementos Químicos • Nucleosíntese Estelar pelo ciclo CNO: • Depois da síntese do Hélio o processo chave na nucleossíntese é o processo de triplo alfa, em que três núcleos de 4He se fundem para formar um núcleo de 12C. 26 • As estrelas e as supernovas desempenham o papel principal na síntese de elementos do C ao U. • As estrelas gigantes são fonte de O e as intermédias de C. Origem dos Elementos Químicos • Ciclo CNO (Hans Bethe) – Após os ciclos da primeira geração as estrelas continuam a fusão de H através do ciclo CNO em que o átomo de C serve como “catalisador”. O Sol realiza fusão de H pelo processo CNO. 27 Origem dos Elementos Químicos • O ciclo CNO dá-se na sua extensão total nas fases finais da evolução das gigantes vermelhas. • As principais reacções são as de captura de um neutrão – processo s (lentos) – aumenta a massa do isótopo. • O processo r (rápido) caracteriza-se pela captura de vários electrons e apenas se dá nos últimos minutos de vida de uma gigante vermelha quando ela explode numa supernova. • O processo que gera núcleos estáveis de certos átomos mais pesados é o processo p de captura de protons. • A nucleossíntese nas supernovas é responsável pela abundância de elementos como o Mg e Ni. • Também ocorre nucleossíntese por espalhamento dos raios cósmicos, produzindo Li, Be e B. 28 Origem dos Elementos Químicos 29 COSMIC RAY SPALLATION 30 Pilares da criação na Nebulosa da Águia (imagem do telescópio espacial Hubble Origem dos Elementos Químicos 31 Abundância dos elementos químicos no sistema solar Origem dos Elementos Químicos • Principais pontos a reter: 1. H e He elementos mais abundantes com razão H/He ~ 12,5 – gerados por nucleossíntese no Big Bang…; 2. Abundância dos primeiros 50 elementos decai exponencialmente – gerados principalmente em grandes estrelas pelo ciclo CNO e em explosões de supernovas; 3. Elementos com número atómico maior que 50 são pouco abundantes e apresentam abundâncias semelhantes; 4. Elementos com número atómico par são mais abundantes que os de número atómico impar vizinhos – regra de Oddo- Harkins – são mais abundantes os elementos com A divisível por quatro; 32 Origem dos Elementos Químicos 5. Li, Be e B têm abundâncias anomalamente baixas; 6. Abundância de C e O deriva do processo de queima do He em grandes estrelas ou pelo ciclo CNO; 7. Abundância de Fe bastante elevada – o elemento mais pesado formado por adição de partículas alfa é o 5628Ni, mas este decai para Co e depois para 5626Fe mais estável; 8. Tc e Pm não ocorrem no sistema solar - isótopos instáveis; 9. Elementos com número atómico superior a 83 (Bi) não têm isótopos estáveis (gerados por decaimento de U e Th). A abundância anómala do chumbo está diretamente relacionada com o decaimento radioativo. 33 Origem do Sistema Solar • A nebulosa Solar contrai-se por perda do seu calor. • Os compostos deixam de ser estáveis no estado gasoso e condensam-se em sólidos. • O processo de acreção ocorre através dos choques de planetesimais, sendo governado pela força gravítica e pelo momento angular. 34 35 Origem do Sistema Solar Sequências de condensação de um gás de composição Solar. Um dos modelos segue uma sequência de equilíbrios químicos entre sólidos e gases (acreção homogénea). No outro há uma separação dos compostos formados, do gás original (acreção heterogénea). No primeiro caso, os constantes reequilíbrios vão permitir a formação de um maior número de minerais, formados por reacções secundárias entre sólidos e gás (Allégre, 1987). Origem do Sistema Solar • Quando o sistema Solar se formou, uma parte do gás e poeira cósmica deram origem ao Sol e outra aos oito planetas que o compõem. • A nebulosa Solar, formada a partir da explosão de estrelas anteriores, continha já outros elementos sintetizados por estrelas da 1ª geração, para além do H e He do Big Bang,. • Só as partículas mais refractárias (FeNi, Al2O3, CaO) sobreviveram à contracção da nébula. 36 Origem do Sistema Solar 37 Segundo a Teoria da Acreção Progressiva de Safronov (1969): A existência de órbitas quase circulares, dispostas num plano resulta de uma progressão a partir de órbitas elípticas (Schmidt, 1944). Mais tarde, Wetherill (1976), relaciona o esquema apresentado, com uma escala temporal de 1) a 4) 5 a 10 milhões de anos; de 4) a 5) 50 a 100 milhões de anos, baseando- se no estudo das crateras Lunares, relacionando a teoria da acreção com estas. Origem do Sistema Solar • Antes da alunagem os meteoritos eram as únicas amostras de rochas extraterrestres. • O estudo dos meteoritos revela testemunhos da história primitiva do sistema solar. 38 • Existem dois tipos: Condritos e acondritos. • Podemos também dividir em rochosos (aerólitos), metálicos (sideritos) e metálico- rochosos (siderólitos). Krot et al., 2003 Origem do Sistema Solar 39 In Gass, I.G., Smith, P.J., Wilson, R.C.L. (1984) Origem do Sistema Solar 40 Fatia de um meteorito exibindo a típica textura de um condrito. Meteorito Férreo Origem do Sistema Solar • Os meteoritos formaram-se entre 4,55 a 4,5 Ba (Patterson, 1956). • 80% dos meteoritos apresenta uma composição química próxima da coroa solar (com excepção do H e He). • 80% dos meteoritos são condritos. A sua composição (Fe+Si) é comparativamente proporcional à do manto e núcleo terrestre. 41 Origem do Sistema Solar 42 Gráficos que ilustram a comparação entre as composições químicas da crosta terrestre e de um condrito, utilizando como termo de comparação o Sol. A linha representa composição igual (Allègre, 1987). Origem do Sistema Solar • Os meteoritos são os testemunhos do processo de formação planetária. • Os Condritos são as peças básicasda construção dos planetas. • Possuem a mesma proporção entre Fe e Silicatos que entre núcleo e manto. • A génese de acondritos e sideritos resulta de um esquema de diferenciação em 3 etapas: Acreção, diferenciação e fragmentação, sendo portanto mais raros. 43 Origem do Sistema Solar 44 Génese dos meteoritos (Allègre, 1987). Meteoritos Brasileiros • O mais famoso é Angra dos Reis – idade de 4,55 ± 0,05 Ga. Acondrito com carácter primitivo atestado pelas suas razões isotópicas de Pb e Sr. Meteorito de Angra dos Reis Museu Nacional UFRJ 45 • Conhecidos pelo nome do local em que caíram, alguns dos mais importantes são: • Angra dos Reis; Paranaíba; Conquista; Uberaba e Sete Lagoas. Sistema Solar 46 O Sol contém mais de 99,8% da massa do sistema! Sistema Solar 47 Estruturas internas de alguns planetas e satélites (determinadas pela densidade e pelo momento de inércia, supondo a natureza de alguns dos constituintes essenciais). Sistema Solar - Mercúrio • Mercúrio 48 Diâmetro equatorial: 4 879,4 km Área da superfície: 7,48 × 107 km²; 0,147 Terra Volume: 6,083 × 1010 km³; 0,056 Terra Massa: 3,3022 × 1023 kg Densidade média: 5,427 g/cm³ Gravidade superficial: 0,38 g Geologia semalhante à da Lua. Sistema Solar - Vénus • Vénus: um dos planetas em que aterraram naves terrestres. 49 Raio médio: 6 051,8 km2 Área da superfície: 4,60 ×108 km² Volume: 92,843 ×1010 km³ Massa: 4,8685 ×1024 kg2 Densidade média: 5,243 g/cm³2 Gravidade superficial: 8,87 m/s²2 1 Temperatura à superfície média: 735 K~462°C Sistema Solar - Vénus • Missões Venera e Vega 50 Análises por fluorescência de raios x determinaram composição gabróica Sistema Solar - Venus • Venus apresenta vulcanismo, sendo as planícies vulcânicas a feição mais corrente da geologia de Venus. • A superfície é plana ou apresentando domos, colinas e vales. Os edifícios vulcânicos são abundantes em Venus. • Existem áreas que apresentam aspectos de tectonismo e vulcanismo, do tipo hot-spot. Também cinturas deformadas semelhantes a cordilheiras ocorrem em certas planícies. • A análise de materiais da superfície permitiu detectar essencialmente rochas ígneas de composição similar às terrestres do tipo basalto toleítico, alcalinas do tipo gabro ou sienitos e basaltos de alto K tipo traquitos. • Rochas à superfície apresentam alteração metamórfica na fácies de xistos verdes. 51 Sistema Solar - Terra • Terra: o 3º planeta a contar do Sol. 52 Diâmetro equatorial: 12 756,2 km Área da superfície: 510 072 000 km² Volume: 1,08321×10123 km³ Massa: 5,9736×10243 kg Densidade média: 5,5153 g/cm³ Temperatura média: 14 ºC Sistema Solar - Marte • Marte 53 Raio equatorial: 3396,2 km Área da superfície: 144.798.500 km² Massa: 6,4185×1023 kg Densidade média: 3,934 g/cm³ Aceleração gravítica à superfície: 3,69 m/s² Temperatura média à superfície: 227K~-46°C Marte como a Terra sofreu diferenciação tendo uma estrutura em camadas. Sistema Solar - Marte 54 Rover Sojourner Imagem da superfície Marciana • A superfície é constituída essencialmente por basalto toleítico. • Ocorrem também Andesitos, concentrações de plagioclásio, olivina, piroxenas e hematite. A poeira superficial é essencialmente de óxido de ferro III. Sistema Solar - Marte O Conglomerado Marciano 55 • Rochas alteradas por intemperismo e processos diagenéticos não são incomuns em marte. • Evaporitos sulfatados ocorrem no Meridiani Planum. • Depósitos de hematita indicativos de processos aquosos. • Leitos de rios forem descobertos pela NASA. • E até possivelmente existem rochas carbonatadas. Sistema Solar – Planetas Gasosos • Sonda Voyager – uma das primeiras a enviar imagens detalhadas dos planetas exteriores. 56 Imagem obtida pela voyager Sistema Solar – Júpiter e Saturno • Júpiter – uma estrela que não aconteceu… Diâmetro equatorial: 142 984 km Volume: 1 321,3 Terras Massa: 317,8 Terras Densidade média: 1,326 g/cm³ Gravidade equatorial: 24,79 m/s² Dia sideral: 9,925 horas 67 satélites 57 • Saturno – o senhor dos anéis… Diâmetro equatorial: 120 536 km Volume: 7,46×1014 km³ Massa: 5,688×1026 kg Densidade média: 0,687 g/cm³ Gravidade equatorial: 10,44 m/s² Dia sideral: 10h33m 62 satélites Sistema Solar – Úrano e Neptuno • Úrano – o planeta tombado. Úrano têm uma inclinação axial de 97,77º !!! Diâmetro equatorial: 4,007 Terras Volume: 63,086 Terras Massa: 14,536 Terras Gravidade equatorial: 8,69 m/s² Dia sideral: 17 h 14 min Temperatura média: -220 ºC 58 • Neptuno – o deus dos mares. Diâmetro equatorial: 49572 km Massa: 1,024×1026 kg Densidade média: 1,64 g/cm³ Gravidade na superfície: 11,0 m/s² Período de rotação: 16h 6,5min Inclinação axial: 29,58° Sistema Solar - Lua 59 •A Lua: Único corpo celeste em que homens desembarcaram Diâmetro equatorial: 3474,8 km Área da superfície: 0,074 Terras 3,793 x 107 km² Volume: 0,020 Terras 2,1958 × 1010 km³ Massa: 7,349 x 1022 kg Densidade média: 3,34 g/cm³ Gravidade equatorial: 0,1654 g Temperatura média: -53,1 ºC Sistema Solar - Lua 60 Apollo 17 – Lunar Roving Vehicle Apollo 11 – módulo Eagle Superfície constituída por lavas vulcânicas anortosíticas, nos mares e cumulados de plagioclásio nas montanhas. Os solos são constituídos por material meteorítico mais antigo. Estudos geofísicos permitiram delinear uma estrutura em camadas semelhante à da Terra. Sistema Solar - Lua • A Lua é composta por uma crosta anortosítica, um manto e um núcleo. • Á superfície distinguem-se os continentes e os mares. Os mares são formados por choque de crateras e contêm lavas vulcânicas basálticas do tipo komatiito (félsicas, ricas em feldspatos). • A geologia da Lua é guiada por vulcanismo e impacte de projécteis. 61 Sistema Solar - Lua • Actualmente crê-se que a Lua se tenha formado devido a um mega-impacto de um planetóide com a proto-Terra, arrancando material que passou a orbitar a proto-Terra. • Existem outras hipóteses como seja: a da co- formação; da captura; e a mais improvável a da fissão. 62 Epílogo • A Cosmoquímica é um ramo da Geoquímica, por sua vez mais abundante que este e que só muito recentemente está a ser investigado. • A “Geoquímica” dos restantes corpos celestes ajuda-nos a conhecer e compreender a história geológica primitiva da Terra. • Ao mesmo tempo reflete os aspetos únicos deste planeta que é o nosso lar. 63 Referências Bibliográficas • Allègre, C. (1987). “Da Pedra à Estrela”. Publicações Dom Quixote. • Faure, G. (1991). “Principles and Applications of Geochemistry”. Prentice Hall • Gass, I.G., Smith, P.J., Wilson, R.C.L. (1984) “Vamos Compreender a Terra”. Livraria Almedina Coimbra. • Krot, A.N., Keil, K., Scott, E.R.D., Goodrich, C.A., Weisberg, M.K. (2003). Classification of Meteorites. In Holland & Turekian (coord.) Treatise in Geochemistry, Elsevier Ltd. • Mason, B. (1966). “Principles of Geochemistry”. Wiley International Edition • Truran, J.W. (1984). Nucleosynthesis. Ann. Rev. Nucl. Part. Sci., 34, p. 53-97. • Truran, J.W.Jr., Heger, A. (2003). Origin of the Elements. In Holland & Turekian (coord.) Treatise in Geochemistry, Elsevier Ltd. 64 Na Próxima Aula - Origem da Terra 65 A Terra, ao contrário dos outros planetas do sistema solar, tem uma história rica e variada, em parte registada na suacrosta. 4700 Ma 4500 Ma 3800 Ma 3700 Ma 3600 Ma 500 Ma 65 Ma Hoje Obrigado pela vossa atenção! 66
Compartilhar