Primeiro

Nov 28, 2023

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 6230 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Este estudo prevê os fatores de fracionamento de isótopos de equilíbrio para algumas espécies importantes contendo Ga, incluindo minerais principais, soluções aquosas e sistemas de fase gasosa. Fracionamentos isotópicos de equilíbrio de Ga foram investigados usando o método de química quântica de primeiros princípios no nível B3LYP/6-311+G(d). Os valores de 103ln(RPFR) de ortoclásio, albita, quartzo, caulinita, forsterita, montmorilonita, gibbsita, cassiterita, aragonita, esfalerita e calcita foram calculados com o modelo de cluster variável de volume. Os 103ln(RPFR)s desses minerais diminuem na seguinte ordem: ortoclásio > albita > quartzo > caulinita > forsterita > montmorilonita > gibbsita > cassiterita > aragonita > esfalerita > calcita. O efeito de solvatação das espécies aquosas portadoras de Ga3+ é modelado pelo método da gota de água, e os 103ln(RPFR)s das espécies aquosas portadoras de Ga3+ diminuem na seguinte ordem: [Ga(OH)4]− > [Ga(OH )3] > [Ga(OH)]2+ > [Ga(OH)2]+ > [Ga(H2O)6]3+. Os resultados dos cálculos mostram que os fracionamentos isotópicos de equilíbrio de Ga entre diferentes minerais, soluções e fases gasosas são apreciáveis. Entre os minerais, o fracionamento isotópico do Ga apresenta o maior valor entre ortoclásio e calcita. Ga fator de fracionamento isotópico entre esses dois minerais pode chegar a 3,18 por mil a 100 ° C. Fracionamentos isotópicos de Ga entre espécies aquosas e minerais contendo Ga são importantes para a obtenção de informações sobre os diferentes processos geoquímicos, como a geoquímica superficial. Este estudo forneceu importantes fatores de fracionamento de isótopos de Ga.

O gálio (Ga) está entre os oligoelementos mais importantes da crosta e do manto e dificilmente forma um mineral independente1. A abundância de Ga na crosta terrestre é de aproximadamente 15–19 ppm2. Ga-Al é um par de elementos geoquimicamente relacionados que podem coexistir durante vários processos geoquímicos, como evolução crustal ou intemperismo3,4. Como Ga e Zn são elementos adjacentes pertencentes ao mesmo período, eles exibem algumas propriedades químicas semelhantes, como raios iônicos e propriedades químicas. O Ga pode entrar nas redes cristalinas minerais contendo Al e Zn na forma de isomorfismo5. Portanto, os minerais comuns portadores de Ga são bauxita, cassiterita e esfalerita.

O Ga possui dois isótopos estáveis, ou seja, 69Ga e 71Ga com abundâncias de 60,11% e 39,89%, respectivamente6,7. A diferença de massa entre os dois isótopos (69Ga e 71Ga) pode chegar a 2,9%, e o fracionamento dos isótopos do Ga pode ocorrer em diferentes processos1. A pesquisa mais recente sobre fracionamento de isótopos de Ga mostra que o fracionamento de isótopos de Ga em amostras naturais é óbvio. Assim, os isótopos de Ga podem ser usados ​​como uma ferramenta geoquímica emergente para estudar uma variedade de processos geoquímicos, incluindo intemperismo de baixa temperatura e evaporação de alta temperatura1,8,9,10,11,12,13,14.

Embora a regra geral do fracionamento de equilíbrio isotópico seja que o fracionamento de equilíbrio se torna muito pequeno em altas temperaturas, estudos sobre processos de intemperismo, processos de adsorção e fracionamento isotópico de Ga de condritos carbonáceos revelaram que o fracionamento isotópico de Ga é relativamente significativo. Estudos anteriores descobriram que os fracionamentos de isótopos de Ga de amostras terrestres são muito pequenos11,12,13,14. O fracionamento de isótopos de Ga pode ocorrer em diversos processos, como evaporação e adsorção de partículas minerais10. Esses resultados indicaram que variações na composição dos isótopos de Ga comumente existem em amostras naturais. Nos últimos anos, os isótopos de Ga têm sido cada vez mais usados ​​no campo da evolução da Terra primitiva e no meio ambiente. Os dados de fracionamento do isótopo Ga são representados pelo símbolo δ.

Com o desenvolvimento da espectrometria de massa de plasma acoplado indutivamente com coletor múltiplo (MC-ICP‒MS), a precisão da análise de isótopos aumentou substancialmente, o que nos permite obter com precisão composições de isótopos de Ga de várias amostras. Ga é um elemento moderadamente volátil típico com uma temperatura de condensação de meia massa Tc (a 10–4 bar) 968K6. Kato e Moynier (2017) revelaram que as inclusões ricas em cálcio-alumínio (CAIs) são enriquecidas em Ga em comparação com o meteorito em massa, e o valor do fracionamento isotópico pode atingir até − 3,56‰ (δ71Ga)12. Assim, grande fracionamento de isótopos de Ga ainda ocorre entre CAIs e meteoritos sólidos em altas temperaturas. O estudo do fracionamento de isótopos de Ga fornece outra maneira de investigar os detalhes dos processos de evaporação. Os elementos voláteis desempenham um papel fundamental na evolução química dos planetas. Estudos anteriores mostraram que a Lua é depletada de voláteis e que fracionamentos estáveis ​​de isótopos de elementos moderadamente voláteis podem ocorrer durante o evento de impacto gigante da formação da Lua15,16,17. Os isótopos de Ga poderiam ser fracionados em processos de vaporização da Lua, mas dificilmente fracionados durante processos ígneos da Terra dentro da incerteza analítica12. Portanto, Ga é um elemento muito importante para investigar os processos de evaporação devido ao impacto gigante.