Tipos de fracionamento isotópico; processos que governam a distribuição natural das substâncias isotópicas; distribuição isotópica do hidrogênio, do oxigênio e do carbono.

1. Fracionamento de isótopos
estáveis
Material extraído e modificado de:
- ALBARÈDE, F. Geoquímica: uma introdução.
São Paulo : Oficina de Textos, 2011.
Geoquímica de Alta Temperatura – 6º Período de Geologia
FINOM
Prof. Márcio José dos Santos

2. O que é fracionamento?
• Fracionamento de isótopos refere-se à flutuação
nas razões de isótopos como resultado de
processos naturais, em função da sua massa
atômica.
• Essa variações não estão relacionadas ao tempo e
ao enfraquecimento radioativo natural.
• Existem três tipos de fracionamento: o
fracionamento de equilíbrio, o fracionamento
cinético e o fracionamento independente de
massa.

3. O que são isótopos?
• Isótopos são átomos de um elemento químico
cujos núcleos têm o mesmo número atômico,
ou seja, os isótopos de um certo elemento
contêm o mesmo número de prótons
designado por "Z", mas diferentes números de
massa.
• Existem 339 isótopos naturais na Terra. São
conhecidos mais de 3.100.

4. Tipos de fracionamento
• O fracionamento de equilíbrio consiste na
distribuição desigual dos isótopos estáveis nos
reagentes e produtos de uma reação quando ela
atinge o equilíbrio químico.
• O fracionamento cinético consiste em taxas
diferentes de reação para os diferentes isótopos
de um mesmo elemento numa mesma reação
química.
• O fracionamento independente de massa é
anômalo e não segue as regras dos outros dois
tipos.

5. • Em incubações em sistemas fechados com o
propósito da medição da produção primária,
que duram algumas horas, apenas o
fracionamento cinético é importante.
• Em medições em sistemas abertos, que
cobrem escalas temporais medidas em
semanas, os fracionamentos de equilíbrio e
independente de massa são mais importantes.

6. • A aplicação de dados
isotópicos no estudo de
processos naturais é um
dos temas de maior
sucesso da geoquímica
moderna.
• Os métodos isotópicos
dependem de
procedimentos
complexos e
equipamentos analíticos
sofisticados, mas são
conceitualmente simples
e robustos.

7. A variabilidade natural das abundâncias
isotópicas é resultante de diferentes processos:
1. Em condições termodinâmicas e cinéticas
diversas, os isótopos distribuem-se de modo
desigual entre fases coexistentes (minerais,
líquidos, gases). Esses efeitos são geralmente
sutis, assim como são sutis as diferenças
entre os isótopos, o que explica por que elas
foram percebidas apenas na década de 1950.

8. 2. A radioatividade remove do sistema o
isótopo pai ou radioativo e acrescenta ao
sistema o produto de seu decaimento (p. ex.
87Rb transforma-se em 87Sr). Veremos no
próximo capítulo que a taxa de remoção do
isótopo pai é idêntica em todo o Universo e
ao longo de todo o tempo, e que esse
processo afeta apenas as abundâncias
relativas dos isótopos radiogênicos.

9. 3. Os raios cósmicos contêm partículas produzidas
fora do Sistema Solar e sua origem ainda não é
completamente entendida. A energia de algumas
dessas partículas, na sua maioria prótons e
partículas α, pode exceder a energia de ligação
do núcleo.
• Na alta atmosfera, alguns núcleos (p. ex.
nitrogênio e oxigênio) sofrem colisões com essas
partículas, um processo denominado espalação.
• A maioria das partículas que chega ao solo
terrestre é secundária e está relacionada à
espalação.

10. 4. A turbulência na nebulosa solar, os processos
de mistura e a diferenciação planetária
praticamente apagaram por completo os
vestígios das heterogeneidades isotópicas
originais.
• A exceção é o oxigênio, cujos isótopos
apresentam efeitos de fracionamento
independente da massa da Terra, na Lua, em
Marte e em diferentes grupos de meteoritos,
sugerindo a existência de diferentes
reservatórios.

11. • Isótopos estáveis de carbono, nitrogênio,
enxofre, hidrogênio e oxigênio são
considerados, atualmente, ferramentas úteis
aos geólogos, fisiologistas, ecólogos e a outros
pesquisadores que estudam os ciclos de
matéria e energia no ambiente.

12. Hidrogênio
• O hidrogênio se concentra principalmente na
hidrosfera, ou seja, em oceanos, geleiras e águas
doces.
• Uma fração expressiva do hidrogênio terrestre pode
estar contida no manto, mas sua concentração por
unidade de massa neste reservatório é muito pequena
(poucas centenas de ppm).
• Como a fração mais expressiva do hidrogênio está na
hidrosfera, a composição isotópica dos aquíferos
praticamente não sofre modificação ao interagir com o
solo e as rochas, a menos que a proporção de água
subterrânea contida nos poros seja extremamente
baixa.

14. • A razão D/H média na Terra é de cerca de 1,4 x 10-4, o
que equivale a dizer que a abundância isotópica de D é
de 140 ppm.
• Os isótopos de hidrogênio sofrem forte fracionamento
entre vapor e água líquida, e entre vapor e gelo na
faixa de temperatura da superfície terrestre, razão pela
qual os valores de δD são os principais traçadores do
ciclo hidrológico.
• O fracionamento entre D e H é também observado em
minerais hidratados,
• A geoquímica dos isótopos de hidrogênio é uma
ferramenta eficiente no estudo do ciclo hidrológico
profundo e das reações de desidratação associadas ao
soterramento de rochas hidratadas, tais como xistos,
serpentinitos e anfibolitos, particularmente em zonas
de subducção.

15. Oxigênio
• O oxigênio tem três isótopos estáveis de massas
16, 17 e 18, cujas abundâncias relativas médias
são de 99,76, 0,037 e 0,204%, respectivamente.
• Para o oxigênio, assim como para o hidrogênio, o
material de referência mais usado é a água média
padrão dos oceanos (standard mearz ocean
wafer, SHOW).
• O valor terrestre médio, δ18O ≈ +5,5%o, é
correspondente à composição isotópica das
rochas do manto, que constituem o maior
reservatório geológico de oxigênio.

16. • A geoquímica isotópica do oxigênio fornece
informações importantes no estudo de rochas ígneas e
metamórficas:
• A diferenciação magmática de rochas basálticas ocorre
a temperaturas de cerca de 1.100 ºC, em que
praticamente não há fracionamento de isótopos de
oxigênio.
• A fusão parcial em temperaturas superiores a 800 ºC
não causa fracionamento isotópico.
• Amostras com desvios expressivos em relação aos
valores de δ18O do manto sugerem que suas rochas-
fonte sofreram processos de baixa temperatura
(podendo conter rochas sedimentares ou alteradas ou
foram submetidas a alteração hidrotermal ou
intemperismo.

19. Carbono
• O carbono possui dois isótopos estáveis de
massa 12 e 13, com abundâncias relativas de
98,89 e 1,11%, respectivamente.
• O padrão de δ13C é o carbonato dos fósseis de
belemnites da Formação Pee Dee (Pee Dee
beZemnífes, PDB), nos EUA.

21. • Apesar de ser menos abundante que o oxigênio,
o carbono é amplamente distribuído na natureza:
íons carbonato dissolvidas nos oceanos (H2CO3,
HCO3
- CO3
2-); o carbono atmosférico; rochas
carbonáticas e o carbono do manto.
• O carbono pode se apresentar na forma reduzida
(C, CH4, matéria orgânica) ou oxidada (CO, CO2).
• Ele ocorre em diferentes formas no manto, em
abundâncias relativas que não são bem
conhecidas. O valor médio de δ13C terrestre é,
possivelmente, próximo a -7%o.