Compatibilidad (geoquímica)

Partición de elementos en un mineral

La compatibilidad es un término utilizado por los geoquímicos para describir cómo los elementos se dividen en sólidos y se funden dentro del manto terrestre . En geoquímica , la compatibilidad es una medida de la facilidad con la que un oligoelemento en particular sustituye a un elemento principal dentro de un mineral .

La compatibilidad de un ion está controlada por dos cosas: su valencia y su radio iónico . ^[1] Ambos deben aproximarse a los del elemento principal para que el oligoelemento sea compatible en el mineral. Por ejemplo, el olivino (un mineral abundante en el manto superior ) tiene la fórmula química (Mg,Fe)
₂SiO
₄El níquel , con un comportamiento químico muy similar al hierro y al magnesio , los sustituye fácilmente y, por lo tanto, es muy compatible en el manto .

La compatibilidad controla la partición de diferentes elementos durante la fusión . La compatibilidad de un elemento en una roca es un promedio ponderado de su compatibilidad en cada uno de los minerales presentes. Por el contrario, un elemento incompatible es uno que es menos estable dentro de su estructura cristalina . Si un elemento es incompatible en una roca, se divide en una masa fundida tan pronto como comienza la fusión. En general, cuando se hace referencia a un elemento como "compatible" sin mencionar en qué roca es compatible, se implica el manto. Por lo tanto, los elementos incompatibles son aquellos que se enriquecen en la corteza continental y se agotan en el manto. Los ejemplos incluyen: rubidio , bario , uranio y lantano . Los elementos compatibles se agotan en la corteza y se enriquecen en el manto, con ejemplos níquel y titanio .

Olivina forsterita, un mineral de silicato de hierro y magnesio formado en el manto superior de la Tierra.

La compatibilidad se describe comúnmente mediante el coeficiente de distribución de un elemento. Un coeficiente de distribución describe cómo se distribuirán las fases sólida y líquida de un elemento en un mineral. Los estudios actuales de los oligoelementos raros de la Tierra buscan cuantificar y examinar la composición química de los elementos en la corteza terrestre. Todavía existen incertidumbres en la comprensión de la corteza inferior y la región del manto superior del interior de la Tierra. Además, numerosos estudios se han centrado en observar los coeficientes de partición de ciertos elementos en el magma basáltico para caracterizar la composición de la corteza oceánica. ^[2] Al tener una forma de medir la composición de los elementos en la corteza y el manto dada una muestra mineral, la compatibilidad permite determinar las concentraciones relativas de un oligoelemento en particular. Desde un punto de vista petrológico, la comprensión de cómo los oligoelementos principales y raros se diferencian en el fundido proporciona una comprensión más profunda de la evolución química de la Tierra a lo largo de la escala de tiempo geológico. ^[3]

Cuantificación de la compatibilidad

Coeficiente de distribución (partición)

Abundancia de elementos en la corteza terrestre. El eje x muestra el número atómico, representado gráficamente en relación con la abundancia medida por millón de átomos de silicio.

En un mineral, casi todos los elementos se distribuyen de manera desigual entre la fase sólida y líquida. Este fenómeno se conoce como fraccionamiento químico y se puede describir mediante una constante de equilibrio , que establece una distribución fija de un elemento entre dos fases cualesquiera en equilibrio . ^[1] Una constante de distribución se utiliza para definir la relación entre la fase sólida y líquida de una reacción. Este valor es esencialmente una relación de la concentración de un elemento entre dos fases, típicamente entre la fase sólida y la líquida en este contexto. Esta constante a menudo se conoce como cuando se trata de oligoelementos , donde ${\displaystyle K}$ ${\displaystyle K_{D}}$ ${\displaystyle D}$

${\displaystyle K_{D}={\frac {C_{S}}{C_{L}}}={\frac {X_{i}^{solid}}{X_{i}^{liquid}}}}$

${\displaystyle K_{D}=D}$para oligoelementos

La constante de equilibrio es un valor determinado empíricamente. Estos valores dependen de la temperatura, la presión y la composición del mineral fundido . Los valores difieren considerablemente entre los elementos principales y los oligoelementos. Por definición, los oligoelementos incompatibles tienen un valor de constante de equilibrio de menos de uno porque los oligoelementos tienen concentraciones más altas en el fundido que los sólidos. ^[1] Esto significa que los elementos compatibles tienen un valor de . Por lo tanto, los elementos incompatibles se concentran en el fundido, mientras que los elementos compatibles tienden a concentrarse en el sólido. Los elementos compatibles con están fuertemente fraccionados y tienen concentraciones muy bajas en la fase líquida. ${\displaystyle D}$ ${\displaystyle D>1}$ ${\displaystyle D\gg 1}$

Coeficiente de distribución a granel

El coeficiente de distribución volumétrica se utiliza para calcular la composición elemental de cualquier elemento que forme un mineral en una roca. El coeficiente de distribución volumétrica, , se define como ${\displaystyle {\overline {D}}_{i}}$

${\displaystyle {\overline {D}}_{i}=\Sigma W_{A}D_{i}^{A}}$

donde es el elemento de interés en el mineral, y es la fracción de peso del mineral en la roca. es el coeficiente de distribución del elemento en el mineral . ^[1] Esta constante se puede utilizar para describir cómo se concentran los elementos individuales en un mineral en dos fases diferentes. Durante el fraccionamiento químico, ciertos elementos pueden volverse más o menos concentrados, lo que puede permitir a los geoquímicos cuantificar las diferentes etapas de diferenciación del magma. ^[4] En última instancia, estas mediciones se pueden utilizar para proporcionar una mejor comprensión del comportamiento elemental en diferentes entornos geológicos. ${\displaystyle i}$ ${\displaystyle W_{A}}$ ${\displaystyle A}$ ${\displaystyle D_{i}^{A}}$ ${\displaystyle A}$

Aplicaciones

Una de las principales fuentes de información sobre la composición de la Tierra proviene de la comprensión de la relación entre la fusión de la peridotita y el basalto. La peridotita constituye la mayor parte del manto de la Tierra. El basalto , que está altamente concentrado en la corteza oceánica de la Tierra, se forma cuando el magma alcanza la superficie de la Tierra y se enfría a un ritmo muy rápido. ^[1] Cuando el magma se enfría, diferentes minerales cristalizan en diferentes momentos dependiendo de la temperatura de enfriamiento de ese mineral respectivo. Esto finalmente cambia la composición química de la masa fundida a medida que diferentes minerales comienzan a cristalizar. La cristalización fraccionada de elementos en líquidos basálticos también se ha estudiado para observar la composición de la lava en el manto superior . ^[5] Este concepto puede ser aplicado por los científicos para dar una idea de la evolución del manto de la Tierra y cómo las concentraciones de oligoelementos litófilos han variado durante los últimos 3.5 mil millones de años. ^[6]

Entendiendo el interior de la Tierra

Estudios anteriores han utilizado la compatibilidad de elementos traza para ver el efecto que tendría sobre la estructura de la masa fundida del sólido de peridotita . ^[7] En dichos estudios, se examinaron los coeficientes de partición de elementos específicos y la magnitud de estos valores dio a los investigadores alguna indicación sobre el grado de polimerización de la masa fundida. Un estudio realizado en el este de China en 1998 analizó la composición química de varios elementos encontrados en la corteza de China. Uno de los parámetros utilizados para caracterizar y describir la estructura de la corteza en esta región fue la compatibilidad de varios pares de elementos. ^[8] Esencialmente, estudios como este mostraron cómo la compatibilidad de ciertos elementos puede cambiar y verse afectada por las composiciones químicas y las condiciones del interior de la Tierra.

El vulcanismo oceánico es otro tema que incorpora comúnmente el uso de la compatibilidad. Desde la década de 1960, los geoquímicos comenzaron a estudiar la estructura del manto de la Tierra. La corteza oceánica, que es rica en basaltos provenientes de la actividad volcánica, muestra componentes distintivos que brindan información sobre la evolución del interior de la Tierra a lo largo de la escala de tiempo geológica. Los elementos traza incompatibles se agotan cuando el manto se derrite y se enriquecen en la corteza oceánica o continental a través de la actividad volcánica. Otras veces, el vulcanismo puede producir un manto fundido enriquecido sobre la corteza. Estos fenómenos se pueden cuantificar observando los registros de desintegración radiactiva de los isótopos en estos basaltos, lo que es una herramienta valiosa para los geoquímicos del manto. ^[2] Más específicamente, la geoquímica de las serpentinitas a lo largo del fondo del océano, específicamente las zonas de subducción, se puede examinar utilizando la compatibilidad de elementos traza específicos. ^[9] La compatibilidad del plomo (Pb) en circones en diferentes entornos también puede ser una indicación de circones en rocas. Al observar niveles de plomo no radiogénico en circones, esta puede ser una herramienta útil para la datación radiométrica de circones. ^[10]

Referencias

1. McSween, Harry Y. (19 de noviembre de 2003). Geoquímica: vías y procesos . Richardson, Steven McAfee., Uhle, Maria E., Richardson, Steven McAfee. (Segunda edición). Nueva York. Bibcode :1995ChGeo.120..223M. doi :10.1016/0009-2541(94)00140-4. ISBN 9780231509039.OCLC 61109090  .{{cite book}}: Mantenimiento de CS1: falta la ubicación del editor ( enlace )
2. Hofmann, AW (1997). "Geoquímica del manto: el mensaje del vulcanismo oceánico". Nature . 385 (6613): 219–229. Bibcode :1997Natur.385..219H. doi :10.1038/385219a0. ISSN  1476-4687. S2CID  11405514.
3. McDonough, WF; Sun, S.-s. (1995). "La composición de la Tierra". Geología química . 120 (3–4): 223–253. Código Bibliográfico :1995ChGeo.120..223M. doi :10.1016/0009-2541(94)00140-4.
4. Villemant, Benoît; Jaffrezic, Henri; Joron, Jean-Louis; Treuil, Michel (1981). "Coeficientes de distribución de elementos mayores y traza; cristalización fraccionada en la serie de basalto alcalino de Chaîne des Puys (Massif Central, Francia)". Geochimica et Cosmochimica Acta . 45 (11): 1997–2016. Código Bib : 1981GeCoA..45.1997V. doi :10.1016/0016-7037(81)90055-7. ISSN  0016-7037.
5. O'Hara, MJ (1977). "Evolución geoquímica durante la cristalización fraccionada de una cámara de magma periódicamente rellenada". Nature . 266 (5602): 503–507. Bibcode :1977Natur.266..503O. doi :10.1038/266503a0. ISSN  1476-4687. S2CID  4281431.
6. O'Nions, RK; Evensen, NM; Hamilton, PJ; Carter, SR; Hutchison, R. (1978). "Fusión del manto pasado y presente: evidencia de isótopos y elementos traza [y discusión]". Philosophical Transactions of the Royal Society A: Ciencias matemáticas, físicas y de ingeniería . 288 (1355): 547–559. doi :10.1098/rsta.1978.0033. ISSN  1364-503X. S2CID  121120298.
7. Gaetani, Glenn A. (2004). "La influencia de la estructura de la masa fundida en la partición de elementos traza cerca del sólido de peridotita". Contribuciones a la mineralogía y la petrología . 147 (5): 511–527. Bibcode :2004CoMP..147..511G. doi :10.1007/s00410-004-0575-1. ISSN  1432-0967. S2CID  128495655.
8. Gao, Shan; Luo, Ting-Chuan; Zhang, Ben-Ren; Zhang, Hong-Fei; Han, Yin-wen; Zhao, Zi-Dan; Hu, Yi-Ken (1998). "Composición química de la corteza continental revelada por estudios en el este de China". Geochimica et Cosmochimica Acta . 62 (11): 1959-1975. doi :10.1016/S0016-7037(98)00121-5. ISSN  0016-7037.
9. Kodolányi, János; Pettke, Thomas; Spandler, Carl; Kamber, Balz S.; Gméling, Katalin (2012). "Geoquímica de serpentinitas del fondo oceánico y del antearco: restricciones en la entrada ultramáfica a las zonas de subducción". Revista de petrología . 53 (2): 235–270. Bibcode :2012JPet...53..235K. doi : 10.1093/petrology/egr058 . ISSN  0022-3530.
10. Watson, E. B; Chemiak, D. J; Hanchar, J. M; Harrison, T. M; Wark, D. A (1997). "La incorporación de Pb en circón". Geología química . 141 (1): 19–31. Bibcode :1997ChGeo.141...19W. doi :10.1016/S0009-2541(97)00054-5. ISSN  0009-2541.