Inclusão de jeffbenita Mg3Al2Si3O12 em super

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 83 (2023) Citar este artigo

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Uma correção do autor a este artigo foi publicada em 17 de fevereiro de 2023

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Jeffbenite (tendo a mesma composição química do piropo, ~ Mg3Al2Si3O12, e também conhecida como fase TAPP) é uma inclusão mineral encontrada apenas em diamantes formados entre cerca de 300 e 1000 km de profundidade) e é considerada uma fase estável na zona de transição (410– 660 km de profundidade) e/ou nas regiões mais rasas do manto inferior (cerca de 660–700 km de profundidade). Este mineral raro e enigmático é considerado um marcador de pressão para diamantes superprofundos e, portanto, tem um papel fundamental na pesquisa de diamantes superprofundos. No entanto, os campos de estabilidade pressão-temperatura para a jeffbenita Mg3Al2Si3O12 são desconhecidos e suas reais condições de formação permanecem inexploradas. Aqui determinamos o campo de estabilidade termodinâmica pressão-temperatura para o membro final jeffbenita Mg e surpreendentemente descobrimos que ele é estável em condições de baixa pressão-temperatura, ou seja, 2–4 GPa a 800 e 500 ° C. Assim, a jeffbenita Mg3Al2Si3O12 não é o polimorfo de alta pressão do piropo e é provavelmente uma fase retrógrada formada durante os estágios finais de ascensão dos diamantes superprofundos à superfície.

Jeffbenita (fórmula ideal Mg3Al2Si3O12) é um mineral raro que até agora só foi encontrado como inclusão mineral em diamantes superprofundos1. Foi descoberto em 19972,3 e desde então tem sido referido como TAPP, sigla de “Tetragonal Almandine Pyrope Phase” pela sua estequiometria, que coincide com a da série piropo-almandina granada. No entanto, a estrutura cristalina da jeffbenita é diferente daquela da granada, portanto a granada e a jeffbenita são na verdade polimorfos. Em 2016, a TAPP recebeu finalmente um nome mineral aprovado pelo IMA, que é “jeffbenite” (IMA 2014–097)1 para homenagear Jeffrey W. Harris e Ben Harte, dois eminentes especialistas na área da investigação de diamantes. Desde a sua primeira descoberta, há 26 anos, apenas 23 jeffbenitos naturais foram relatados na literatura e 7 deles foram identificados apenas por análise química; 2 outras jeffbenitas relatadas na literatura são sintéticas. Assim, apenas 16 inclusões naturais de jeffbenita em diamantes superprofundos foram identificadas por difração de raios X e/ou espectroscopia micro-Raman (ver Tabela 1, que resume todas as jeffbenitas relatadas até agora na literatura). Apesar de sua raridade, as inclusões de jeffbenita em diamantes são consideradas um indicador de origem superprofunda para os hospedeiros diamantíferos e, portanto, é um mineral importante. A sua origem superprofunda é de facto bem aceite na literatura e a jeffbenite é geralmente considerada uma zona de transição ou mineral do manto inferior pela comunidade de investigação diamantífera1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 ,13,14,15,16,17,18,19,20.

No entanto, excluindo uma jeffbenita sintética muito rica em Ti, atualmente nenhum campo de estabilidade pressão-temperatura de jeffbenita é publicado e este mineral permanece um enigma geológico: (1) em que profundidade no manto a jeffbenita realmente se forma? (2) o membro terminal Mg da jeffbenita é um polimorfo de pressão mais alta ou mais baixa da granada piropo?

Para responder a essas questões, aqui restringimos o campo de estabilidade pressão-temperatura da jeffbenita pura, Mg3Al2Si3O12. Como nenhum dado termodinâmico para jeffbenita está disponível na literatura, calculamos os dados a partir dos primeiros princípios, no nível híbrido Hartree-Fock/Teoria do Funcional de Densidade (HF/DFT), dentro do limite da aproximação quase harmônica e na estrutura de termodinâmica estatística. Isso nos permite compreender a natureza real do membro final de Mg puro da jeffbenita.

Na verdade, o presente trabalho foi motivado não apenas pela necessidade de restringir o campo de estabilidade pressão-temperatura para um mineral considerado característico de diamantes superprofundos, mas também porque já em 19972 o estudo da primeira jeffbenita natural (na época indicada como TAPP) revelou inconsistências em termos de volume e densidade em relação à granada. Em detalhe, a jeffbenite natural descoberta em 19972 (amostra 244B, na qual os autores refinaram a estrutura cristalina) tinha uma composição aproximada igual a [Mg2,64Fetot0,27(Ca + Na + Mn)0,08][Al1,85 Cr0,15 ][Si2,91Al0,09]O12 e Mg# [Mg/(Mg + Fe)] = 0,91; seu volume de célula unitária foi V = 774,35(± 0,77) Å3. Tal volume de célula unitária pode ser convertido em um volume molar igual a 11,657(± 0,012) J/bar. Comparando este volume molar com o de uma granada com composição semelhante ao longo da série piropo-almandina [Mg2,70Fe0,30]Al2Si3O12 e Mg# = 0,91 (por exemplo, ver Tabela 3 da ref.21), é evidente que o volume molar da granada, que é igual a 11,332(± 0,001) J/bar, é significativamente menor que a da jeffbenita.