Lista de Exercícios Geoquímica Marinha, Exercícios de Geoquímica

Baixe Lista de Exercícios Geoquímica Marinha e outras Exercícios em PDF para Geoquímica, somente na Docsity! 1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ CENTRO DE ESTUDOS DO MAR CURSO DE OCEANOGRAFIA DISCIPLINA: OCE 172 – Geoquímica Marinha PROFESSOR: Dr. César de Castro Martins ALUNOS: Iana Clesia Silva Garbin, Lígia Carolina Alcântara Pinotti, Pedro Cordova Zierhut LISTAS DE EXERCÍCIOS Semestre (1/2023) AULA 2 Ciclo do Carbono 1. Quais são os principais compartimentos do planeta, responsáveis por armazenar o carbono presente na natureza? Indique em termos quantitativos (calcule a porcentagem relativa de cada um deles) qual é a participação de cada compartimento no total de carbono presente no ambiente e quais são as principais formas de armazenamento de carbono em cada um destes compartimentos, considerando o ciclo do carbono no período pré-industrial. São 3 os principais compartimentos que armazenam carbono na natureza:  Atmosfera: com a maior parte do carbono contido na forma de dióxido de carbono (CO2);  Oceanos: o segundo maior reservatório de carbono, absorvendo grandes quantidades de CO2 da atmosfera; havendo diferentes contribuições a superfície e as altas profundidades, com maior armazenagem neste sub-compartimento, com contribuição dos sedimentos do assoalho oceânico;  Litosfera: maior reservatório, com a armazenagem composta por diversos sub-compartimentos, representados pelas rochas (sedimentares e da crosta), o solo (na matéria orgânica morta e nos microrganismos do solo) e a biota (na na forma de biomassa);  Ainda, de forma compartilhada entre os oceanos e a litosfera, temos os depósitos fósseis, que contêm carbono na forma de hidrocarbonetos. A quantidade de carbono armazenada nos compartimentos pode variar ao longo do tempo, bem como devido a variações nas condições ambientais; no entanto, estima-se a seguinte distribuição relativa aproximada pré-industrial*: Compartimento Carbono (Gt) % relativo Atmosfera: gases 600 0,000800 Litosfera: biota 600 0,000800 Litosfera: solo + turfa 1600 0,002132 Litosfera: rochas sedimentares 75.000.000 99,940298 Oceano: C dissolvido 39.000 0,051969 Oceano: biota 3 0,000004 Assoalho oceânico: sedimentos reativos 3000 0,003998 Total 75.044.803 100 * com base na imagem do slide 12 do material de aula. 2 Apesar da aparente desproporção nas quantidades dos compartimentos, considera-se um sistema em equilíbrio para estes quantitativos. 2. Como base nos balanços de massa de entrada de carbono (CO2 e CH4) nos principais compartimentos que compõem o planeta Terra, liste as principais contribuições naturais e antropogênicas, indicando quais os principais componentes de introdução e remoção de carbono. Com base nos balanços de massa de entrada de carbono (CO2 e CH4) nos principais compartimentos que compõem o planeta Terra, podemos identificar como principais contribuições naturais e antropogênicas de carbono. As principais fontes naturais incluem:  Oceanos: remoção, absorvendo CO2 da atmosfera por meio do processo de difusão, que é influenciado por fatores como temperatura, salinidade e ventilação oceânica;  Solo e intemperismo de rochas: introdução, liberando carbono para os rios, que contribuirão no aporte nos oceanos;  Biomassa terrestre: remoção, vegetação absorve CO2 da atmosfera por meio da fotossíntese; introdução, decomposição da matéria orgânica, respiração vegetal e queimadas;  Atmosfera: armazena carbono na forma de CO2 e CH4, que são emitidos pelos processos naturais e antropogênicos. As principais fontes antropogênicas incluem:  Queima de combustíveis fósseis: introdução, ricos em hidrocarbonetos, os combustíveis fósseis liberam grandes quantidades de CO2 na atmosfera;  Desmatamento e uso do solo: introdução, com a remoção da vegetação natural liberam grandes quantidades de CO2 na atmosfera além de reduzir a remoção pela absorção de carbono por meio da fotossíntese;  Agricultura: introdução, com a emissão de gases de efeito estufa resultante da fermentação entérica do gado e da decomposição de resíduos orgânicos (CH4);  Processos industriais: introdução, como a produção de cimento e fabricação de produtos químicos, liberando grandes quantidades de CO2 na atmosfera. Os principais componentes de introdução e remoção de carbono incluem a fotossíntese, o treinamento, a decomposição, a queima de combustíveis fósseis, o desmatamento e a agricultura. A capacidade dos oceanos e das florestas de absorver e armazenar carbono também é importante no ciclo do carbono. É essencial que os esforços para mitigar as emissões de gases de efeito estufa sejam intensificados, a fim de minimizar os efeitos do aquecimento global e preservar o equilíbrio do planeta. 3. Considerando que 100 % de todo o carbono ‘primordial’ (ou seja, aquele gerado ao longo do processo de formação do planeta) esteja hoje, distribuído em dois compartimentos gerais (crosta e superfície), especifique quais são os principais reservatórios de carbono e a sua forma em cada um destes compartimentos, indicando quais são de carbono orgânico e quais são de carbono inorgânico. Conforme ilustrado na figura 6.7 do slide 22, a distribuição desde a formação dos primeiros compostos orgânicos, com a variação isotópica (δ13C) como traçado de fonte:  No compartimento superfície: aproximadamente 45 Tt de carbono (45 x 1012 t de C), sendo 86% na forma de bicarbonato marinho (Cinorg), 13% na biomassa “viva e morta” (Corg), 1% de CO2 (Cinorg) e 0,3% na forma de outros carbonatos (Cinorg);  No compartimento crosta: estão aproximadamente 75 Pt de carbono (75 x 1015 t de C), sendo 5 AULA 3 Composição Elementar e Isotópica da Matéria Orgânica Sedimentar 1. Como a determinação da composição elementar dos sedimentos pode auxiliar na interpretação das fontes da matéria orgânica sedimentar? Quais são os elementos que podem ser determinados e quais informações podem ser obtidas? A composição elementar dos sedimentos pode ajudar na interpretação das fontes de matéria orgânica sedimentar, pois sabe-se que diferentes fontes de matéria orgânica autóctones e alóctones têm composições elementares distintas, que podem ser medidas pela proporção do carbono contido no sedimento. A matéria orgânica derivada de plantas terrestres é geralmente mais rica em carbono (C) em relação ao nitrogênio (N), enquanto a matéria orgânica derivada de organismos marinhos apresenta uma relação C/N mais baixa. Além do N, os elementos fósforo (P) e enxofre (S) também podem fornecer pistas sobre as fontes de matéria orgânica. Com relação ao P, altas concentrações de podem indicar a presença de matéria orgânica derivada de organismos planctônicos ou de detritos de peixes, sendo os teores de P orgânico e inorgânico indicativos das condições de preservação ou degradação da matéria orgânica. A matéria orgânica sintetizada pelos produtores primários apresenta percentuais reduzidos de S orgânico, porém a biodegradação desta sob condições anaeróbicas aumenta os percentuais desse elemento devido à síntese bacteriana de compostos orgânicos que contêm S, sendo a razão C:S indicadora da condição de oxigenação do ambiente onde o sedimento se formou. 2. (a) Cite duas aplicações da razão δ13C e da razão δ15N em estudos de geoquímica marinha. Explique sucintamente. (b) Explique porque as águas oceânicas superficiais apresentam altos teores de 13C e 15N em comparação com a matéria orgânica sedimentar. (a) a razão entre isótopos estáveis de carbono e nitrogênio, tais como o δ13C e o δ15N, auxiliam a identificar e distinguir a matéria orgânica de origem marinha e terrestre contida na amostra de sedimentos; ainda, entre as fontes continentais, estas razões permitem distinguir qual o tipo de plantas superiores contribuem em maior proporção nos quantitativos detectados na amostra (a “assinatura isotópica” do carbono contido na amostra), bem como detectar/estimar mudanças na dinâmica do nutriente na coluna d’água, como no caso do 15N. (b) As águas superficiais são mais ricas em 13C pois o processo fotossintético remove/fixa preferencialmente o 12C do CO2; consequentemente, pouco 13C irá ser detectado no sedimento de fundo e nas águas profundas, pois o C deste ambiente é predominantemente oriundo da matéria orgânica produzida na superfície (a qual fixa preferencialmente o 12C). No caso do N, tal comportamento se dá por razão similar: ocorre intenso processo de mineralização e disponibilização do N na zona eufótica na forma de NO3 -; como no processo de fixação do N na biomassa igualmente ocorre a assimilação preferencial de 14NO3, a matéria orgânica sedimentada apresentará baixo teor de 15N. 3. (a) O que é fracionamento isotópico? Explique. (b) Cite alguns processos que contribuem para a ocorrência deste processo. (a) Fracionamento isotópico é o particionamento e a distribuição dos isótopos estáveis na natureza, que varia consideravelmente devido às propriedades termodinâmicas das moléculas, em função da massa dos átomos que a compõem, ocorrendo por ação de diferentes processos físicos e químicos atuantes nas moléculas; pode ser resumido como um enriquecimento ou empobrecimento do isótopo mais pesado da amostra em estudo em relação a sua fonte. 6 (b) Processos bioquímicos naturais, tais como condensação, evaporação, cristalização, adsorção, absorção, e difusão podem resultar no fracionamento isotópico. 4. Como a determinação da composição elementar dos sedimentos pode auxiliar na interpretação dos estados de preservação e degradação da matéria orgânica sedimentar? Quais são os elementos que podem ser determinados e quais informações podem ser obtidas? Diferentes estados de preservação e degradação da matéria orgânica podem afetar a composição elementar desta contida nos sedimentos. Compostos orgânicos como a lignina, fortemente presente em plantas C3, são mais resistentes à degradação microbiana e, portanto, podem ter uma maior proporção de carbono em relação ao nitrogênio, podendo se manter mais ou menos preservada em função das condições ambientais de degradação. Já a matéria orgânica mais degradada, como os compostos húmicos e fúlvicos em geral apresentam uma proporção mais baixa de carbono em relação ao nitrogênio. Os teores de P orgânico e inorgânico presentes no sedimento também são um indicativo das condições de preservação ou degradação da matéria orgânica: altas taxas de Pinorg em relação ao Porg são indicativas de degradação/remineralização da matéria orgânica; já elevadas concentrações de Porg podem estar relacionadas à preservação da matéria orgânica. Assim, a composição elementar pode ser usada para determinar o grau de oxidação da matéria orgânica, que é um indicador do grau de preservação, sendo a matéria orgânica oxidada geralmente mais pobre em carbono e mais rica em oxigênio em relação à matéria orgânica menos oxidada/degradada. 5. Explique com a determinação da razão δ13C pode auxiliar na identificação de períodos com características hidrológicas diferentes com base na composição isotópica da matéria orgânica sedimentar de origem terrígena. O uso da razão isotópica δ13C se mostra eficiente na identificação da origem da matéria orgânica devido as diferentes assinaturas isotópicas entre a matéria orgânica de origem marinha e terrestre, sendo o material terrestre relativamente desprovido de 13C com menores valores de δ13C em relação a matéria orgânica de origem marinha. As variações nas influências dos regimes hidrológicos com sua maior ou menor contribuição no aporte fluvial em regiões costeiras, tais como estuários, pode ser identificada pela assinatura isotópica da razão δ13C da matéria orgânica vegetal (plantas C3, C4, algas marinhas e lacustres) contida nos sedimentos, que nestes ambientes estão sujeitos à contribuições múltiplas (marinhas e terrestres). Plantas C3 apresentam razão 13C/12C ~ 27‰ e algas marinhas apresentam razão 13C/12C C ~ 22 a 20 ‰; assim, conforme as razões são detectadas/quantificadas nas amostras estuarinas, pode-se inferir maior ou menor influência de processos fluviais ou marinhos nos locais de onde as amostras foram coletadas. Ainda, em regiões costeiras estuarinas, recomenda-se que esta aplicação da razão δ13C esteja atrelada à razão Corg/N para identificar com maior segurança a origem terrestre ou marinha, minimizando limitações do método (p. ex.: a mistura de diferentes fontes terrígenas ou adaptações no ciclo de vida de alguns organismos que podem levar a uma interpretação dúbia). 7 AULA 4 Composição Molecular da Matéria Orgânica Sedimentar 1. Como a determinação da composição molecular da matéria orgânica sedimentar pode auxiliar na interpretação das fontes de origem e nos processos naturais de transformação do ambiente marinho em uma determinada escala de tempo? Cite algumas classes de compostos orgânicos que podem ser determinadas e quais informações podem ser obtidas? Por meio de marcadores orgânicos: a presença de biomarcadores específicos, como esteróis, ácidos graxos ou hidrocarbonetos, pode ser utilizada para inferir as fontes de matéria orgânica sedimentar. A composição molecular desses biomarcadores pode variar de acordo com a origem da matéria orgânica, como plantas terrestres, algas ou bactérias, permitindo uma identificação mais precisa da fonte de origem. Além disso, a variação nas concentrações relativas desses biomarcadores em diferentes camadas de sedimentos pode indicar mudanças na composição da biota ao longo do tempo. Alguns exemplos de marcadores de processos naturais e/ou antrópicos são:  Degelo/Temperatura: alquenonas, isoprenóides altamente ramificados (HBIs), diols e GDGTs;  Produtividade e origem da matéria orgânica: esteróis biogênicos, hidrocarbonetos n-Alcanos, álcoois graxos e GDGTs. 2. (a) O que são marcadores orgânicos geoquímicos? Explique. (b) Quais as principais características que um marcador orgânico geoquímico precisa apresentar para ser útil em estudos de reconstrução paleoambiental? Explique. (a) São compostos orgânicos de origem natural ou antrópica, que resistem à destruição parcial das suas estruturas originais pela ação dos processos biogeoquímicos, que consistem em indicadores de eventos e processos ocorridos em escalas de tempo determinadas; a definição moderna/atual é a de um marcador molecular é uma molécula orgânica cujo esqueleto carbônico pode ser ligado inequivocamente à um precursor biológico definido. (b) São características importantes para garantir que um marcador orgânico geoquímico possa ser usado de forma confiável para reconstruir mudanças paleoambientais ao longo do tempo:  Especificidade: o marcador deve ser específico para uma determinada fonte biológica ou ambiental e não estar presente em outras fontes, para que possa ser usado para rastrear a mudança na abundância ou distribuição da fonte ao longo do tempo;  Estabilidade: o marcador deve ser quimicamente estável o suficiente para persistir em condições ambientais variáveis, como pH, temperatura, pressão e condições redox, durante períodos geológicos;  Distribuição espacial e temporal: o marcador deve ter uma distribuição espacial e temporal conhecida, para que possa ser correlacionado com outros dados paleoambientais e usado para inferir mudanças em condições ambientais;  Conservação: o marcador deve ser preservado em sedimentos geológicos ou rochas sedimentares, de modo que sua presença possa ser detectada em amostras geológicas;  Quantidade significativa: o marcador deve ser produzido em quantidades suficientes para permitir sua detecção em amostras de baixa concentração, como as encontradas em sedimentos geológicos;  Detecção e análise: o marcador deve ter uma metodologia analítica adequada para sua detecção e quantificação, permitindo que os pesquisadores possam medir sua abundância e variação no tempo. 3. As alquenonas e os GDGTs correspondem a classes de marcadores orgânicos bastante utilizados em geoquímica marinha. Explique qual a origem destes compostos e quais as informações que podem ser obtidas através das concentrações de diferentes marcadores orgânicos. 10 marinhas para a matéria orgânica encontrada nos sedimentos. A composição e a distribuição desses marcadores podem variar dependendo da fonte de origem, fornecendo pistas sobre a proveniência da matéria orgânica. A paleoprodutividade, que se refere à quantidade de matéria orgânica produzida em um determinado ambiente marinho, pode ser inferida através da presença e da abundância de certos marcadores. Por exemplo, em períodos de alta paleoprodutividade, é esperado encontrar maiores concentrações de marcadores associados a organismos produtores, como algas marinhas. A elevação do nível do mar também pode deixar sua marca nos marcadores orgânicos geoquímicos. Mudanças no ambiente costeiro, resultantes da elevação do nível do mar, podem levar a alterações na composição da matéria orgânica sedimentar. A entrada de água do mar em áreas previamente terrestres pode introduzir novos marcadores associados à vida marinha, enquanto a redução do fluxo de água doce pode diminuir a contribuição de marcadores terrestres. Sendo assim, a determinação de marcadores orgânicos geoquímicos desempenha um papel fundamental na investigação da origem da matéria orgânica sedimentar e sua relação com eventos naturais passados. Essa abordagem permite uma compreensão mais completa da evolução dos ecossistemas marinhos ao longo do tempo, bem como dos impactos das mudanças ambientais, como a paleoprodutividade e a elevação do nível do mar, na composição da matéria orgânica sedimentar. 11 AULA 5 Geocronologia utilizando radionuclídeos naturais e artificiais 1. Quais são as principais técnicas radiométricas (ou radionuclídeos) utilizadas para estimar a taxa de sedimentação e, consequentemente, a data de deposição de sedimentos recentes? Explique sucintamente quais os conceitos básicos envolvidos em cada uma destas (duas) técnicas (ou radionuclídeos). Duas das principais técnicas radiométricas utilizadas para estimar a taxa de sedimentação e a data de deposição de sedimentos recentes são a datação por carbono-14 (14C) e a datação por chumbo-210 (210Pb):  A técnica de datação por carbono-14 é baseada na decaimento radioativo do isótopo 14C, um isótopo instável do carbono que ocorre naturalmente na atmosfera, que é incorporado pelos organismos vivos através da alimentação e da respiração, mantendo um equilíbrio constante com o carbono-12 (12C, isótopo estável do carbono); quando um organismo morre, a absorção de 14C acaba, e a quantidade desse isótopo começa a diminuir devido à sua desintegração radioativa, num processo lento: a meia-vida do 14C é de aproximadamente 5.730 anos. Ao analisar a proporção de 14C/12C em amostras de material orgânico, como restos de plantas ou ossos encontrados em sedimentos, é possível determinar a idade da amostra. Com base na taxa de decaimento do 14C, os cientistas podem calcular a idade dos sedimentos e, consequentemente, estimar a taxa de sedimentação ao longo do tempo.  A datação por chumbo-210 é baseada no decaimento radioativo do isótopo de 210Pb. O 210Pb é um isótopo radioativo que ocorre naturalmente na atmosfera como resultado do decaimento do rádio-226. Ele é transportado para a superfície da Terra através de processos atmosféricos e depositado nos sedimentos. O 210Pb possui uma meia-vida de cerca de 22 anos; ao analisar a quantidade de 210Pb em amostras de sedimentos ao longo de uma coluna vertical, os cientistas podem determinar a taxa de acumulação de chumbo-210 nos sedimentos. Com base nessa taxa, é possível estimar a taxa de sedimentação e a idade dos sedimentos mais recentes. Ambas as técnicas são amplamente utilizadas em estudos geológicos e ambientais para estimar a taxa de sedimentação e investigar a história dos processos de deposição em ambientes aquáticos e terrestres. 2. Como ocorre o processo de formação do carbono-14 no ambiente? Explique como e porque este radioisótopo pode ser utilizado em estudos de geocronologia e qual a escala do tempo geológico que ele pode ser empregado. O carbono-14 (14C) é formado continuamente na atmosfera através da interação dos raios cósmicos, principalmente prótons, com o nitrogênio-14 (14N), dessa interação resultando a “produção” de 14C radioativo e de outros isótopos. Esses isótopos radioativos, incluindo o 14C, reagem com o oxigênio para formar dióxido de carbono (CO2), que é incorporado na atmosfera e posteriormente absorvido pelos organismos vivos durante a fotossíntese. O 14C é assimilado pelos organismos vivos na mesma proporção que o 12C, que é o isótopo estável mais comum do carbono. Enquanto um organismo está vivo, a taxa de absorção de 14C é equilibrada pela taxa de decaimento radioativo desse isótopo; no entanto, quando um organismo morre, a absorção de 14C acaba, e a quantidade desse isótopo começa a diminuir à medida que ele se decompõe ao longo do tempo. À meia-vida do 14C, metade do 14C inicial terá se decaído em 14N. Com base na taxa de decaimento conhecida, os cientistas podem determinar a idade de uma amostra de material orgânico, analisando a proporção de 14C para 12C presente na amostra. A datação por 14C é amplamente utilizada em estudos de geocronologia para estimar a idade de sedimentos recentes, amostras arqueológicas e materiais orgânicos com até cerca de 50.000 anos, sendo escala de tempo que cobre uma parte significativa da história humana, bem como eventos geológicos e ambientais mais recentes. 12 3. Considere os seguintes perfis de distribuição do 137Cs ao longo de duas colunas sedimentares de 50 cm, obtidas em diferentes hemisférios: (a) Explique como estes dados podem ser utilizados na datação de colunas sedimentares. (b) A qual hemisfério corresponde cada um dos perfis apresentados. Explique. (c) Considerando que o testemunho 1(A) foi coletado em 2010 e pico máximo do 137Cs ocorreu em 45 cm de profundidade, qual a taxa de sedimentação estimada em cm ano-1? (d) Qual a data estimada para os sedimentos depositado na profundidade de 20 cm, de acordo com a taxa de sedimentação obtida para o testemunho 1(A)? (a) A presença dos radionuclídeos naturais e artificiais nos sedimentos marinhos é passível de ser aproveitada como ferramenta em estudos de dinâmica sedimentar marinha, pois estes nuclídeos registram processos em escalas espaciais e temporais de acordo com seus níveis e distribuição espacial e vertical em sedimentos, de forma que as alterações no aporte sedimentar podem ser identificadas e interpretadas com base nos níveis radiométricos em sedimentos, conferindo aos sedimentos marinhos um caráter de um registro natural contínuo de mudanças passadas no planeta Terra para diversas escalas temporais. Assim, para utilizar os dados de distribuição do 137Cs na datação de colunas sedimentares, é necessário entender a fonte e o comportamento desse radioisótopo: o 137Cs é um radionuclídeo artificial derivado do núclideo natural do césio (133Cs), sendo um isótopo instável e radioativo produzido por meio da fissão de urânio, que se desintegra emitindo partículas beta, elétrons e raios gama, sendo o isótopo radioativo de meia-vida mais longa, com cerca de 33 anos. O 137Cs foi amplamente liberado no ambiente durante testes nucleares atmosféricos além de acidentes nucleares, deixando rastros no meio ambiente e nos sedimentos depositados na época dos testes e eventos. (b) Identifica-se que o perfil 1 (A) corresponde ao hemisfério sul, e o perfil 2 (B) ao hemisfério norte, em função dos picos de quantitativos de 137Cs demarcados em cada perfil, que respondem aos eventos antrópicos que potencializaram a presença do isótopo artificial nos ambientes naturais pela deposição atmosférica. Isso ocorre porque sabe-se que há diferenças nos registros das chuvas radioativas (fallout) relacionadas aos eventos radioativos ocorridos entre os hemisférios: ▪ no hemisfério sul, ocorreram os testes nucleares ocorridos no período entre o término da 2ª Grande Guerra e a Guerra Fria, sendo a fonte dominante deste radionuclídeo, convencionando- se a se referir ao período como o ano de 1965 para os estudos do elemento em sedimentos; ▪ no hemisfério norte, além do registro dos testes nucelares de 1965, ocorreram dois outros eventos de grande magnitude radioativa: em 1979 houve o acidente da Usina Nuclear de Three Mile Island, no estado da Pensilvânia, costa nordeste dos Estados Unidos; e em 1986 houve o acidente na Usina Nuclear de Chernobyl, perto da cidade de Pripyat, no norte da Ucrânia, que por ser de maior impacto, convencionou-se a se referir ao período destes eventos como o ano de 1986 para os estudos do elemento em sedimentos.