Nome do Projeto
Gênese e evolução de magmas alcalinos: um estudo geoquímico e experimental a partir dos carbonatitos e kimberlitos brasileiros
Ênfase
Pesquisa
Data inicial - Data final
03/04/2023 - 02/04/2027
Unidade de Origem
Coordenador Atual
Área CNPq
Ciências Exatas e da Terra
Resumo
Carbonatitos e kimberlitos são rochas alcalinas raras e caracterizadas por conter alta concentração de elementos traços e terras raras em sua composição, o que os torna rochas com alto potencial econômico e faz de seus magmas importantes agentes metassomáticos no manto litosférico. Carbonatitos são responsáveis pela maior parte da mineralização de fósforo, titânio, nióbio e elementos terras raras do Brasil. Os kimberlitos brasileiros, por sua vez, são responsáveis por grande parte das mineralizações de diamantes. Seguido pelo contexto econômico, o estudo da gênese e evolução de carbonatitos, kimberlitos e demais rochas alcalinas associadas desperta grande interesse científico. No entanto, este interesse se deve também à complexidade e variedade dos processos petrológicos envolvidos na formação e cristalização dessas rochas. Apesar da grande importância econômica e científica, a origem e evolução de magmas carbonatíticos e kimberlíticos ainda gera grandes discussões e divergências entre inúmeros grupos de pesquisa. Além disso, inexiste um consenso sobre os processos tectônicos que possam estar envolvidos na formação desses magmas. Neste sentido, a presente proposta visa estudar a gênese e evolução de magmas carbonatíticos e kimberlíticos utilizando como ferramenta a química mineral e a petrologia experimental. A partir de carbonatitos e kimberlitos naturais provenientes da Província Alcalina do Alto Paranaíba, serão reconhecidas texturas e reações mineralógicas, assim como analisadas as composições químicas das fases minerais e fragmentos juvenis. O comportamento dos elementos maiores e traços em minerais e fragmentos juvenis podem identificar a composição da fonte e ensejar uma melhor compreensão acerca da evolução magmática dessas rochas. Com a petrologia experimental, serão realizados experimentos de reações entre rocha sintética e líquidos metassomáticos com intuito de simular reações e condições físicas e químicas similares às que possam ocorrer no manto litosférico continental e que possibilitem a geração de magmas carbonatíticos e kimberlíticos. Os resultados das análises químicas das rochas do Alto Paranaíba, associados aos dados oriundos dos experimentos, levam a uma maior compreensão sobre a fonte, a gênese e a evolução de líquidos carbontíticos e kimberlíticos, e auxiliam o entendimento sobre a possibilidade de feições tectônicas serem responsáveis ou não por desencadear o magmatismo alcalino que formou a Província Alcalina do Alto Paranaíba.

Objetivo Geral

Objetivos gerais
O objetivo geral da presente proposta visa estudar a gênese e evolução de magmas carbonatíticos e kimberlíticos utilizando como ferramentas a química mineral de rochas naturais e a petrologia experimental em rochas sintéticas. Por meio destas duas ferramentas, pretende-se melhor elucidar os processos envolvidos na geração de magmas alcalinos, com foco no magmatismo da Província Alcalina do Alto Paranaíba.

Objetivos específicos
Para alcançar os objetivos gerais, esta proposta irá ser desenvolvida através de duas linhas de pesquisa das geociências: química mineral e petrologia experimental. Portanto, através da coleta de rochas naturais de carbonatitos e kimberlitos da Província Alcalina do Alto Paranaíba, serão realizadas análises de química mineral para determinar a composição de elementos maiores, traços e terras raras em minerais primários e fragmentos juvenis de magmas carbonatíticos e kimberlíticos, com a intenção de estimar a composição mineralógica e composição química primária desses magmas e de sua fonte. Adicionalmente, tem-se o objetivo de calcular a pressão e temperatura de formação dessas rochas. Ainda, análises para identificação de inclusões minerais em diamantes primários irão determinar composição mineralógica da fonte mantélica de kimberlitos.
Através da petrologia experimental, tem-se o objetivo de produzir reações em laboratório entre diferentes líquidos metassomáticos e rochas mantélicas como harzburgitos e lherzolitos sintéticos, para simular os possíveis processos metassomáticos que ocorrem na litosfera continental e que possam estar relacionados com a gênese de líquidos carbonatíticos e kimberlíticos. Experimentos de cristalização de minerais primários em líquidos alcalinos também serão realizados para determinação dos coeficientes de partição entre o mineral-líquido, e assim conseguir compreender como a cristalização de minerais primários muda a composição dos líquidos alcalinos iniciais. Os experimentos de reação entre rocha-líquido fornecerão um melhor entendimento dos produtos gerados na litosfera continental causados pelo metassomatismo, e a relação desse manto metassomatizado com a geração de magmas alcalinos. Os experimentos de cristalização irão elucidar a evolução de líquidos alcalinos após as primeiras cristalizações de minerais primários.

Justificativa

As províncias alcalinas são formadas basicamente por carbonatitos, kimberlitos, kamafugitos, lamproítos, sienitos, entre outras rochas alcalinas e sub-saturadas em SiO2; e a maioria dessas rochas possuem corpos mineralizados. Os carbonatitos que se encontram nas províncias alcalinas brasileiras são os responsáveis principais pelas mineralizações de fósforo (P), de titânio (Ti), de nióbio (Nb) e de elementos terras raras (ETR) no Brasil. Os kimberlitos, por sua vez, são responsáveis pela mineralização de diamantes. As concentrações de interesse econômico dos elementos traços presentes em carbonatitos e kimberlitos, estão contidas nos seus minerais accessórios. Alguns exemplos em carbonatitos são a apatita (Ca5(PO4)3(OH,F,Cl)) que hospeda grandes teores de P, o pirocloro ((Na,Ca)2Nb2O6(OH,F)) que hospeda altas concentrações de Nb, e a perovskita (CaTiO3) que também pode hospedar grandes concentrações de Nb e ETRs (Mariano, 1989). Os kimberlitos, por sua vez, também hospedam muitos minerais acessórios, como perovskita, rutilo (TiO2), ilmenitas ((Fe, Mg, Mn)TiO3), espinélios (rico em Cr, ou Ti e Fe, ou ainda Mg e Al), e os valiosos diamantes (C).
Minerais acessórios primários encontrados em carbonatitos e kimberlitos são a chave para desvendar a fonte dessas rochas. Os minerais acessórios representam menos de cinco por cento de uma rocha ígnea (e.g. Hoskin et al., 2000). No entanto, podem hospedar vários elementos traços importantes sendo fundamentais para desvendar muitos processos geológicos pelos quais a rocha passou (e.g. Poitrasson et al., 2002), a exemplo da temperatura de cristalização, processos de fusão, de metassomatismo e também de cristalização fracionada. Portanto, o comportamento de elementos-traço em minerais é um importante indicador da gênese e evolução magmática de rochas alcalinas. Além disso, inclusões minerais em minerais primários podem auxilar na investigação da composição química e mineralógica da fonte mantélica.
Deste modo, considerando que ainda existem inúmeras dúvidas quanto a origem e formação de líquidos carbonatíticos e kimberlíticos, este trabalho almeja aprofundar essas questões através do uso de duas técnicas essenciais na geologia: química mineral e petrologia experimental. Para tanto, serão utilizadas rochas naturais e rochas sintéticas. As rochas naturais serão utilizadas para realização de química mineral com amostras de carbonatitos e kimberlitos provenientes da Província Alcalina do Alto Paranaíba, onde se encontram os depósitos alcalinos de Araxá, Salitre, Serra Negra e Catalão I e II (Fig. 1). Os trabalhos experimentais serão realizados em laboratórios de petrologia experimental, com amostras sintéticas e experimentos que simulem reações entre rochas e líquidos em condições de pressão e temperatura similares à base da litosfera continental, e cristalização de minerais em líquidos alcalinos. Com essas duas trajetórias de pesquisa, espera-se contribuir para um melhor entendimento sobre a origem do magmatismo carbonatítico e kimberlítico. De maneira geral, através dos dados experimentais e de química mineral em rochas naturais, almeja-se conseguir identificar a composição da fonte mantélica que gerou o magmatismo alcalino presente na Província Alcalina do Alto Paranaíba, e consequentemente decifrar os possíveis eventos tectono-magmáticos que possam estar relacionados com esse intenso magmatismo alcalino ocorrido no Brasil após a fragmentação do supercontinente Gondwana.

Metodologia

Este projeto é basicamente dividido em duas grandes etapas: uma etapa envolve rochas naturais e outra etapa envolve experimentos. Para ambas as etapas, uma extensa revisão bibliográfica será realizada. Todos os resultados obtidos neste projeto serão publicados em periódicos de alto fator de impacto.
a) Revisão bibliográfica
Extenso levantamento bibliográfico sobre as ocorrências de carbonatitos e kimberlitos brasileiros, e os trabalhos já realizados sobre o magmatismo alcalino, com foco nas rochas da Província Alcalina do Alto Paranaíba. Revisão dos experimentos já realizados que envolvam a gênese de magmas alcalinos.

b) Trabalho de campo e coleta das amostras
Serão realizados trabalhos de campo para a coleta de amostras de kimberlitos de diversas províncias alcalinas brasileiras. Cada trabalho de campo levará em torno de 3 a 4 dias. Os trabalhos de campo serão realizados na Província Alcalina do Alto Paranaíba (MG).

c) Preparação de amostras naturais
Para cada amostra coletada em forma de testemunhos de sondagem, serão produzidas o número de lâminas delgadas que for necessário para representar bem a mineralogia e demais contextos texturais da amostra. Além disso, também serão confeccionadas seções polidas de minerais primários como perovskitas, ilmenitas, granadas, espinélios, para as análises de química mineral. Minerais primários de kimberlitos, como diamantes e granadas, que possuam inclusões minerais, serão sepadarados para análises de Raman.

d) Petrologia Experimental
Os trabalhos experimentais serão realizados no Laboratório de Altas Pressões e Materiais Avançados (LAPMA) do Instituto de Física da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS). Os experimentos serão efetuados com amostras sintetizadas no LAPMA a partir de misturas com óxidos (SiO2, TiO2, Al2O3, Fe2O3, MnO, MgO) e carbonatos (CaCO3, Na2CO3, K2CO3). Todas as amostras sintéticas serão preparadas adicionando os óxidos e carbonatos em um grau de ágata, e misturando estes reagentes com auxílio de acetona durante em média 30 minutos para uma boa homogeinização do material. Para simular a litologia do manto superior, serão produzidas misturas que possuam composição similar aos harzburgitos e lherzolitos, rochas típicas presentes na base de litosferas continentais. Para simular líquidos metassomáticos que possam estar modificando a litosfera, serão produzidas misturas de composições ultramáficas e ricas em CO2, e composições carbonáticas ricas em voláteis como F e Cl. Além disso, para os experimentos de cristalização em líquidos alcalinos, serão preparadas misturas de composição carbonatítica e kimberlítica. Para as amostras de carbonatitos, o CO2 dos carbonatos de CaCO3, NaCO3 e K2CO3 será mantido. Para as amostras de kimberlitos, que contêm menores proporções de CO2, a maior parte do CO2 da mistura será retirado, através do processo de decarbonatação. Para este processo, a amostra será colocada em um forno a 1000°C por no mínimo 5 h. Após essa sinterização e decarbonatação, a mistura será triturada em um grau de ágata, e proporções estequiométricas de CaCO3 e Mg(OH)2 serão adicionadas para incluir as porcentagens corretas de CO2 e H2O na amostra. Em cada amostra sintética, serão adicionados elementos traços (Zr, Hf, Nb, Ta, Th, U, Rb, Sr, Ba, Cs, La, Ce, Sm, Nd, Yb, Lu, Pb, V, Sc, Mo, W) em soluções com concentrações de 100 ppm cada elemento, para possíveis cálculos de coeficientes de partição entre mineral-líquido. Depois das misturas iniciais prontas, essas amostras serão colocadas em cápsulas de liga metálica de Au80Pd20. Utiliza-se este material para as cápsulas, pois amostras de rocha sintética não podem ter contato direto com a platina, já que a platina reage com a amostra provocando a perda de Fe do sistema. Os experimentos serão realizados em prensas hidráulicas como pistão cilindro e multi-anvil, que alcançam altas pressões e temperaturas. As condições de pressão e temperatura aplicadas serão variadas de 3 GPa (utilizando o pistão cilindro), 6 GPa e 10 GPa (utilizando multi-anvil), e entre 1000°C, 1200°C e 1400°C, que simulam as condições encontradas na litosfera continental (3GPa), na base de regiões cratônicas (6 GPa), e regiões um pouco mais profundas (10 GPa).


e) Descrição mineralógica e petrográfica
Minuciosas descrições petrográficas serão realizadas com o objetivo de identificar a paragênense mineral, texturas, e reações entre minerais e líquidos possivelmente presentes na matriz carbonatítica e kimberlítica de rochas naturais. Uma descrição similar será feita nos resultados dos experimentos, que serão acoplados em seções polidas. Para realizar as descrições tanto das lâminas de rochas naturais quanto das seções polidas dos experimentos, serão utilizados um microscópio óptico presente na Faculdade de Ciências e Tecnologia (FCT) da Universidade Federal de Goiânia (UFG), e um Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV) com sistema de Espectroscopia de Energia Dispersiva (EDS) acoplado, presente no Centro Regional de Tecnologia e Inovação (CRTI), UFG. O MEV-EDS, através das análises qualitativas, auxiliará no reconhecimento mineralógico e no entendimento das reações entre minerais, e entre mineral-líquido.

f) Química mineral
Os minerais primários e possíveis fragmentos juvenis presentes na matriz carbonatítica e kimberlítica das rochas naturais serão analisados para estimar a composição química inicial de elementos maiores e traços desses magmas. As análises químicas de elementos maiores em minerais naturais e nos minerais gerados nos experimentos serão realizadas no Laboratório de Microssonda Eletrônica do CRTI. Como alternativa no caso de inviabilidade analítica no laboratório do CRTI, os resultados serão determinados no Laboratório de Microssonda Eletrônica da Universidade de Brasília, ou no Laboratório de Microssonda Eletrônica da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, ou ainda no Laboratório de Microssonda Eletrônica do Instituto de Geociências da USP. As análises dos elementos traços dos minerais e líquidos presentes nas amostras de carbonatitos e kimberlitos, e nos experimentos produzidos, serão realizadas no laboratório de LA-ICP-MS do CRTI. No entanto, no momento esta máquina ainda não está em operação. Caso esta máquina ainda não se encontrar em operação no período de realização deste estudo, as análises poderão ser realizadas no LA-ICP-MS pertencente ao Laboratório de Química e ICP do Instituto de Geociências da USP.


g) Espectroscopia Raman
Análises de Espectroscopia Raman serão realizadas nas inclusões minerais presentes em minerais primários como diamantes em kimberlitos. Estas análises serão preferencialmente realizadas na linha de luz específica para a banda de energia Raman no Laboratório Nacional de Luz Síncroton, para obter resultados de alta qualidade e precisão. Caso o novo síncroton Sirius ainda não esteja em operação durante a realização deste projeto, estas análises poderão ser feitas com o Raman presente no CRTI ou no LAPMA.

h) Tratamentos dos dados
O tratamento, integração e interpretação dos dados será realizada utilizando softwares como Excel e Origin para realização de tratamento estatístico de dados, diagramas de comparação elementar, e cálculos de partição de elementos. As discussões dos dados terão o auxílio da extensa revisão bibliográfica realizada durante todo o desenvolvimento do projeto. Dados preliminares e dados finais serão apresentados em congressos nacionais e internacionais. Por fim, após o tratamento, a integração e interpretação dos dados, serão confeccionados manuscritos para a apresentação dos resultados obtidos, que serão submetidos em periódicos de alto fator de impacto.

Indicadores, Metas e Resultados

As principais metas a serem alcançadas para obtenção dos objetivos descritos acima são:
I) Realizar convênios com mineradoras da região do Alto Paranaíba para a obtenção de amostras em testemunhos de sondagem, que sejam frescas e bem preservadas, para o estudo com as rochas naturais;
II) Realizar convênio com o Laboratório Nacional de Luz Síncrotron para realização das análises de Espectroscopia Raman de alta precisão nas inclusões minerais presentes em diamantes;
III) Realização dos trabalhos de química mineral e petrologia experimental até o fim do segundo ano do projeto;
IV) Formação de recursos humanos através de orientações de alunos de iniciação científica, assim como através da interação entre grupos de pesquisas brasileiros para maior integração das universidades e pós-graduações;
V) Participação em eventos científicos nacionais e internacionais para divulgação dos resultados;
VI) Publicação dos resultados em periódicos internacionais com alto impacto científico;

Equipe do Projeto

NomeCH SemanalData inicialData final
CAROLINE SILVEIRA DA ROSA
DANIELE SILVEIRA DA ROSA
FERNANDA GERVASONI11
STEFANY SILVEIRA DAS NEVES
Tiago Jalowitzki

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