Meteorización de silicatos en Marteel litio y sus isótopos como trazadores geoquímicos

Resumo

La Tierra se ha mantenido durante millones de años como planeta habitable, gracias a la transferencia de materia y energía entre sus distintos reservorios. Durante ese tiempo, el agua superficial ha existido en la Tierra, manteniendo un volumen aproximadamente constante desde el final del Arcaico, sin embargo, en Marte, a pesar de las evidencias de la existencia de agua líquida en el pasado, su superficie actual es seca. En ambos planetas la evolución del clima, propiciada por el CO2 atmosférico, ha influido de modo significativo en la meteorización de las rocas basálticas, induciendo en los océanos la especiación química y variaciones en el pH. Sin embargo, la evolución del agua ha seguido pautas divergentes en Marte y en la Tierra, haciendo del registro histórico de la meteorización una valiosa herramienta para comparar la evolución de los océanos primitivos en ambos planetas. En ese contexto, el registro de la firma isotópica del litio, Li, contenida en minerales secundarios –principalmente arcillas– ofrece una respuesta específica a los cambios en la meteorización de las rocas silicatadas, proporcionando información sobre la interacción geoquímica entre los minerales primarios y el agua. Por otro lado, para entender el pasado de Marte, y su climatología, resulta clave identificar las fases mineralógicas que se han formado y que se encuentran presentes en su superficie, ya que permiten evaluar las condiciones y ambientes en los que se han podido formar, depositar y/o alterar. El objetivo de este proyecto de tesis, ha sido el de alcanzar un mayor conocimiento sobre el proceso de meteorización de los minerales del basalto en Marte, a partir de la interpretación de los procesos de fraccionamiento isotópico del litio en minerales secundarios. Los minerales de arcilla resultan especialmente relevantes por su diversidad asociada a determinadas condiciones ambientales, con este fin se han desarrollado dos tipos de estudios. En primer lugar, se han diseñado análogos de laboratorio para la modelización de los procesos de meteorización de rocas basálticas y la formación de fases secundarias. Para ello se ha construido un reactor de flujo continuo para generar la disolución del basalto acoplado a un equipo de ósmosis inversa que permite inducir la cristalización en condiciones análogas a las de evaporación a baja temperatura, lo que hace a este dispositivo, especialmente adecuado para el estudio experimental de la precipitación de fases secundarias en Marte. En segundo lugar, para poder utilizar la técnica isotópica del Li en Marte es necesario entender los mecanismos de captura del Li por los minerales secundarios y los procesos que llevan al fraccionamiento isotópico. La incorporación del Li a los minerales de arcilla es un proceso complejo que engloba: (1) La adsorción reversible en espacios interlaminares, dando lugar a firmas isotópicas temporales que no resultan útiles para la interpretación de procesos ocurridos en el pasado. (2) La incorporación irreversible en espacios vacantes de la red estructural del mineral. Para comprender las condiciones estructurales necesarias que inducen el fraccionamiento isotópico del Li de forma permanente, se realizaron estudios mediante difracción de neutrones en minerales de arcilla. Otro aspecto importante necesario para poder analizar la viabilidad del estudio isotópico del litio en Marte, es verificar la presencia de minerales de arcilla formados a baja temperatura que puedan haber registrado reacciones de intercambio mediadas por el agua. Para abordar este punto, se ha analizado el contenido en minerales de arcilla en los espectros de DRX del instrumento CheMin a bordo del rover Curiosity. El tratamiento de datos se ha basado en el estudio del desorden de apilamiento y rotacional que permite caracterizar a las fases arcillosas formadas a baja temperatura. Los resultados del estudio de difracción sugieren que se trata de minerales con desorden rotacional. Estas fases parecen ser estructural y composicionalmente similares a las arcillas glauconíticas, terrestres, formadas en la interfase sedimento-océano, con un alto grado de desorden estructural de tipo rotacional. Finalmente, mediante modelización geoquímica, se ha analizado la información adicional que los isótopos de Li podrían proporcionar comparando con la abundancia de Li por si sola. La incorporación selectiva del isótopo ligero a los minerales secundarios, y consecuentemente la evolución a través del tiempo de la firma isotópica del Li, refleja la interacción entre los procesos de meteorización química y física, que se ven afectados de diferente manera, en función de los cambios en el pH y en la temperatura. En los océanos de la Tierra, el estado estacionario actualmente observado, para la firma isotópica del Li representa el balance entre la cantidad de Li disuelto y la cantidad de Li atrapado en las redes de los minerales secundarios y parece estar relacionado con la evolución del océano hacia un pH estacionario, ya que el pH es el factor principal que afecta a la disolución-precipitación de silicatos. En Marte, esta evolución ha debido de ser más rápida que en la Tierra, al estar sujeta a evaporación, sublimación y enfriamiento, y probablemente nunca se ha alcanzado un estado estacionario para las condiciones de pH. Esto ha de verse reflejado en una evolución no-estacionaria de los isótopos de litio en Marte, mientras hubo agua en su superficie. Tomando juntos estos factores, los resultados de este estudio sugieren que un análisis de las ratios isotópicas en las estructuras de los minerales secundarios en Marte, obtenidos en futuras misiones, donde estas medidas se puedan efectuar mediante instrumentos de campo o bien a través del retorno de muestras, nos proporcionaría información importante sobre los diferentes periodos y las condiciones de meteorización acuosa en el pasado de Marte.