Dependência da temperatura da solubilidade do nitrogênio em bridgmanita e evolução da capacidade de armazenamento de nitrogênio no manto inferior

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 3537 (2023) Cite este artigo

671 acessos

1 Altmétrica

Detalhes das métricas

A abundância relativa de nitrogênio normalizada por condritos carbonáceos no volume de silicato da Terra parece estar esgotada em comparação com outros elementos voláteis. Especialmente, o comportamento do nitrogênio na parte profunda da Terra, como o manto inferior, não é claramente compreendido. Aqui, investigamos experimentalmente a dependência da temperatura da solubilidade do nitrogênio na bridgmanita, que ocupa 75% em peso do manto inferior. A temperatura experimental variou de 1400 a 1700 °C a 28 GPa no estado redox correspondente ao manto inferior raso. A solubilidade máxima de nitrogênio em bridgmanita (MgSiO3) aumentou de 1,8 ± 0,4 para 5,7 ± 0,8 ppm com o aumento da temperatura de 1400 para 1700 °C. A capacidade de armazenamento de nitrogênio da bridgmanita Mg-endmember nas condições atuais de temperatura é de 3,4 PAN (PAN: massa de nitrogênio atmosférico presente). Além disso, a solubilidade de nitrogênio da bridgmanita aumentou com o aumento da temperatura, em contraste com a solubilidade de nitrogênio do ferro metálico. Assim, a capacidade de armazenamento de nitrogênio da bridgmanita pode ser maior que a do ferro metálico durante a solidificação do oceano de magma. Tal reservatório de nitrogênio "oculto" formado por bridgmanita no manto inferior pode ter esgotado a taxa aparente de abundância de nitrogênio no volume de silicato da Terra.

O comportamento geoquímico do nitrogênio nas profundezas da Terra permanece incerto, enquanto muitos estudos sobre o ciclo do nitrogênio na biosfera foram conduzidos até o momento1,2,3. Abundâncias relativas de nitrogênio, carbono e H2O em BSE (Terra de silicato a granel) normalizadas por aquelas de condritos carbonáceos são 0,11%, 1,49% e 2,27%, respectivamente4. A BSE, que se supõe ser composta pela atmosfera, manto empobrecido e manto a granel, é pobre em nitrogênio em comparação com outros componentes voláteis4. As concentrações de 14N, 12C e H2O na composição de condritos carbonáceos usadas para estimar essas razões de abundância foram 1,09 × 10–4 mol/g, 2,94 × 10–3 mol/ge 6,60 × 10–3 mol/g, respectivamente5 ,6. Este nitrogênio aparentemente esgotado é referido como nitrogênio "ausente" ou nitrogênio "perdido"4,7,8. O teor de nitrogênio no BSE foi estimado com base na relação Ar/N2. No entanto, Zerkle e Mikhail9 argumentaram que estimar a abundância de nitrogênio na BSE a partir da correlação entre N2 e Ar desgaseificado relatado por Marty10 não é necessariamente preciso. Marty10 assumiu que o nitrogênio em todo o manto existe como N2, que se comporta como gás nobre, mas a fugacidade de oxigênio no manto profundo é muito menor do que no manto raso, e o nitrogênio existe como NH3, NH4+ ou N3− em vez de N211,12 . Experimentos de alta pressão mostraram que o NH4+ pode ser incorporado em minerais de silicato e fundidos de silicato sob condições reduzidas13,14,15,16. Portanto, a "falta" de nitrogênio também pode ser explicada pela existência de reservatórios de nitrogênio no manto profundo reduzido.

Durante a solidificação do oceano de magma, a desgaseificação do oceano de magma do manto pode ser ineficiente porque o oceano de magma parcialmente cristalizado se comportou como um sólido17,18. Portanto, sugere-se que a solidificação do oceano de magma seja um importante processo de formação de reservatórios de nitrogênio nas profundezas da Terra13,19. Li et al.13 determinaram as solubilidades de nitrogênio em forsterita e enstatita em aproximadamente 10 ppm e 100 ppm, respectivamente, e sugeriram que o manto superior profundo pode ser um reservatório de nitrogênio através da solidificação do oceano de magma. Yoshioka et al.19 determinaram experimentalmente as solubilidades de nitrogênio em wadsleyita e ringwoodita sob condições de alta pressão e alta temperatura correspondentes à zona de transição do manto. As solubilidades de nitrogênio em wadsleyita e ringwoodita variaram de 8,0 a 204,9 ppm e de 12,0 a 283,0 ppm, respectivamente, e essas solubilidades de nitrogênio aumentaram com o aumento da temperatura. As solubilidades de carbono nesses minerais do manto também foram investigadas a partir de experimentos de alta pressão e alta temperatura, seguidos por análise de espectrometria de massa de íons secundários (SIMS)20. Keppler et al.21 relataram que as solubilidades de carbono na olivina foram de até 0,54 ppm e Shcheka et al.20 relataram que aquelas em wadsleyita e ringwoodita estavam abaixo do limite de detecção do SIMS (ou seja, 30–200 ppb por peso). Esses minerais do manto, que têm altas taxas de solubilidade N/C, podem esgotar o nitrogênio em comparação com o carbono na BSE e podem resultar em nitrogênio "ausente". Yoshioka et al.19 conduziram experimentos de alta pressão usando aparato de múltiplas bigornas em condições reduzidas próximas ao tampão Fe-FeO e relataram que a solubilidade do nitrogênio na bridgmanita é de 21,5 ± 18,1 ppm. No entanto, seu estudo determinou a solubilidade do nitrogênio em bridgmanita apenas em uma única condição de 24 GPa e 1600 °C, e a dependência da solubilidade do nitrogênio na temperatura e composição química não foi elucidada. O comportamento do nitrogênio, especialmente na parte profunda da Terra, como o manto inferior, permanece obscuro. Mesmo em estudos recentes22, a profunda segregação de voláteis causada pela solidificação do oceano de magma permanece irrestrita. Neste estudo, conduzimos experimentos de alta pressão e alta temperatura em diferentes temperaturas no estado redox correspondente ao manto inferior para investigar a incorporação de nitrogênio na bridgmanita. Além disso, a dependência da solubilidade do nitrogênio com os teores de alumínio na bridgmanita foi investigada nas mesmas condições.