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Scientific Reports volume 12, Artigo número: 20240 (2022) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Sínteses de alta pressão e alta temperatura que envolvem fluidos aquosos contendo voláteis são normalmente realizadas encerrando as amostras em cápsulas de metal nobre fechadas e soldadas à prova de gás, das quais o conteúdo volátil em massa deve ser extraído para ser analisado com espectroscopia de massa, tornando assim a análise não é replicável. Aqui descrevemos um novo método não destrutivo que garante a identificação e a estimativa quantitativa dos voláteis diretamente na cápsula selada, com foco em misturas fluidas de H2O-CO2 equilibradas com grafite em condições de interesse geológico (1 GPa, 800 °C). Usamos uma radiação síncrotron de raios X de alta energia (77 keV) combinada com um criostato para produzir padrões de difração de raios X e seções transversais microtomográficas de difração de raios X das amostras contendo voláteis até –180 ° C, abrangendo assim as condições nas quais as fases cristalinas - CO2 sólido e clatrato (hidrato de CO2) - se formam. A incerteza do método é <15 mol%, o que reflete a diferença entre a proporção volátil estimada tanto pelo refinamento de Rietveld dos dados de difração quanto pela análise de imagem dos microtomogramas, e o valor de referência medido por espectrometria de massa quadrupolo. Portanto, nosso método pode ser aplicado de forma confiável à análise de misturas congeladas de H2O-CO2 e, além disso, tem potencial para ser estendido a fluidos experimentais de interesse geológico contendo outros voláteis, como CH4, SO2 e H2S.

O dióxido de carbono, o principal gás de efeito estufa da Terra, circula entre a Terra sólida e a atmosfera durante longas escalas de tempo (> 1 Ma) por uma variedade de processos naturais. A desgaseificação difusa e as emissões vulcânicas são o elo final de uma longa cadeia de reações de desvolatilização que ocorrem no interior da Terra1. A oxidação da matéria orgânica carbonácea (logo transformada em carbono grafítico) e a descarbonatação de minerais carbonáticos sedimentares2 na litosfera subduzida são provavelmente os processos mais importantes que fornecem CO2 ao ciclo profundo do carbono. Isto foi demonstrado, por exemplo, em experimentos de alta pressão e alta temperatura que reproduzem as condições ambientais onde se pensa que as reações de liberação de CO2 ocorrem em profundidade . Avanços recentes na síntese e análise de fluidos aquosos contendo CO2 produzidos pela oxidação de grafite em condições redox controladas permitiram explorar uma ampla gama de sistemas composicionais. No C – O – H, o sistema mais simples que descreve fluidos aquosos contendo carbono, foi demonstrado que a composição de fluidos em equilíbrio com grafite pura é consistente com as previsões termodinâmicas . No entanto, um comportamento de oxidação imprevisível da grafite foi descrito em sistemas mais complexos contendo silicatos3, carbonatos 5, formas desordenadas de grafite6 ou materiais tampão redox desordenados (por exemplo, NiO8). Nestes estudos experimentais, o estado redox durante a síntese de fluidos foi invariavelmente restringido utilizando a chamada técnica de cápsula dupla9, que provou ser robusta e confiável. As cápsulas duplas consistem em uma cápsula interna soldada, geralmente feita de uma liga de metal nobre permeável ao hidrogênio (por exemplo, ligas contendo Pt ou Pd) e contendo a carga experimental, e uma cápsula externa soldada contendo um mineral tampão redox. conjunto (geralmente metal + óxido metálico ou óxido metálico + silicato metálico, onde o metal apresenta diferentes estados de oxidação) embebido em água. Durante a corrida a alta pressão e temperatura, as reações redox na assembléia mineral tampão, juntamente com a dissociação da água, restringem o fO2 e o fH2 na cápsula externa. Devido à permeabilidade ao H2, o mesmo fH2 também é esperado na cápsula interna. Ao lidar com a oxidação de grafite, o fH2 controla a quantidade de CO2 produzido na cápsula interna contendo grafite e água (ver “Métodos”).