ESTUDO DO DESEQUILÍBRIO RADIOATIVO EM ROCHAS VULCÂNICAS DO MONTE CAMEROON (REPÚBLICA DOS CAMARÕES - ÁFRICA)

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1 ESTUDO DO DESEQUILÍBRIO RADIOATIVO EM ROCHAS VULCÂNICAS DO MONTE CAMEROON (REPÚBLICA DOS CAMARÕES - ÁFRICA) Rosana Nunes dos Santos*, **, Leila Soares Marques* e Fernando Brenha Ribeiro* *Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas IAG/USP Rua do Matão, Butantã, São Paulo, SP, Brasil **Centro de Ciências Exatas e Tecnologia CCET/PUC-SP Rua Marques de Paranaguá, Consolação, São Paulo, SP, Brasil RESUMO Este trabalho apresenta as concentrações de U e Th, obtidas por duas técnicas analíticas distintas, em rochas ígneas pertencentes ao Monte Cameroon e ao Complexo Vulcânico do Monte Bambouto, ambos localizados na região oeste na República dos Camarões (África). As atividades específicas de 238 U e 226 Ra, pertencentes à série do 238 U, bem como 228 Ra e 228 Th, pertencentes à série do 232 Th, foram determinadas pela técnica de espectrometria gama natural de alta resolução. As concentrações de U e Th foram obtidas através da análise por ativação neutrônica associada à espectrometria gama de alta resolução. Os resultados obtidos mostram que a série do 238 U encontrase em desequilíbrio radioativo na maioria das amostras analisadas. Os dados obtidos mostram também que a série do 232 Th está em equilíbrio radioativo entre os membros 228 Ra e 228 Th, para todas as amostras analisadas, sendo necessários dados adicionais para confirmar se existe equilíbrio entre 232 Th e 228 Ra. Keywords: U and Th concentrations, Cameroon Mount, natural gamma spectrometry, 238 U serie disequilibrium, igneous rocks. I. INTRODUÇÃO A medida das atividades dos membros da série de decaimento radioativo encabeçada pelo 238 U proporciona a possibilidade de quantificar o grau de fracionamento químico, entre certos radioisótopos que compõem essa cadeia, durante os processos ígneos. Durante a gênese de rochas vulcânicas, que envolve a fusão parcial de uma fonte mantélica e/ou crustal (geração de magma) e a cristalização fracionada (resfriamento e cristalização do magma), a condição de equilíbrio radioativo secular é perturbada, pois os diferentes membros da cadeia de decaimento apresentam características geoquímicas distintas [1,2]. Portanto, no intervalo de tempo compreendido entre o fechamento do sistema (cristalização do magma) e aquele no qual a condição de equilíbrio radioativo secular é novamente restabelecida é possível obter informações sobre os fracionamentos químicos ocorridos no sistema e a idade das rochas. Uma vez que nos processos magmáticos não há fracionamento entre 234 U e 238 U e que o equilíbrio entre 234 Th e 238 U é rapidamente restituído (~ 180 dias), o equilíbrio entre os dois isótopos de urânio é uma característica muito comum em rochas vulcânicas, desde que não ocorram processos de alteração posteriores [3]. Por outro lado, devido às suas características químicas e às suas meias vidas, os radioisótopos 238 U, 230 Th, 226 Ra e 210 Pb são freqüentemente utilizados em estudos geoquímicos e geocronológicos. Após o fechamento do sistema, o 230 Th e o 238 U alcançam o equilíbrio em cerca de anos, o 226 Ra fica essencialmente em equilíbrio com o 230 Th em aproximadamente anos, enquanto que o 210 Pb alcança mais de 95% do equilíbrio com o 226 Ra em uma centena de anos. Cabe, no entanto, ressaltar que as diferenças entre as atividades do 230 Th e 238 U só são observáveis em rochas com idades inferiores a anos, devido às incertezas experimentais. Desta forma, o desequilíbrio radioativo da série do 238 U só pode ser empregado para estudos petrogenéticos e geocronológicos de rochas ígneas do Quaternário recente. A aplicação do desequilíbrio radioativo da série do 232 Th ao estudo dos sistemas magmáticos é bem mais limitada, já que todos os membros da série entram em equilíbrio secular em cerca de 40 anos. Considerando que o intervalo de tempo envolvido no processo de geração de magma e o seu transporte até a superfície (erupção) situa-se, na grande maioria dos casos, entre 30 e anos, em geral 228 Ra e 232 Th encontram-se em equilíbrio radioativo secular.

2 Neste trabalho são apresentados os resultados da investigação da condição de equilíbrio radioativo, entre os membros das séries de decaimento do 238 U e 232 Th, em rochas vulcânicas do Monte Cameroon e do Complexo Vulcânico de Bambouto (região de Foumbat). Para tanto, foram efetuadas determinações das concentrações de 238 U e 232 Th por meio de ativação com nêutrons epitérmicos e das atividades específicas de 238 U e 226 Ra (a partir dos nuclídeos 234 Th, 226 Ra, 214 Pb e 214 Bi pertencentes à série do 238 U) e de 228 Ra e 228 Th (a partir de 228 Ac, 212 Pb, 212 Bi e 208 Tl pertencentes à série do 232 Th) obtidas por espectrometria gama natural. Estas análises permitiram determinar as razões de atividades de ( 226 Ra/ 238 U) e ( 228 Th/ 228 Ra), que fornecem informações sobre a época de fechamento do sistema, já que as rochas analisadas não mostram sinais de processos de alteração intempérica. II. LINHA VULCÂNICA DOS CAMARÕES A Linha Vulcânica dos Camarões (LVC) situa-se na região oeste da República dos Camarões (África), estendendo-se na forma de uma sucessão de ilhas vulcânicas até atingir o continente. Esse magmatismo, essencialmente de natureza intraplaca, tem sido contínuo desde o final do Cretáceo e vários episódios ígneos estão representados, sendo que os vulcões Monte Cameroon, Monte Santa Isabel e Fernando Poo ainda estão ativos [4]. A LVC possui km de comprimento, começando na ilha de Pagalu, atravessando o Golfo da Guiné, até a montanha de Mandara no interior do continente africano (Fig. 1), sendo que 900 km encontram-se em área continental e 700 km na região oceânica. Recentemente, a LVC tem sido objeto de estudos geológicos, geoquímicos e isotópicos de detalhe [4,5,6,7]. Na parte continental, o magmatismo recente concentra-se em uma área de cerca de km 2, com forma alongada na direção NE, constituindo o Monte Cameroon. Ele é composto principalmente por basaltos e basanitos, ocorrendo em pequena escala lavas mais diferenciadas (traquitos e fonolitos) [8], além de alguns materiais piroclásticos [5]. Fitton e Dunlop [4] obtiveram uma idade K-Ar de 9 Ma para os basaltos mais antigos do Monte Cameroon, enquanto que Piper e Richardson [9] atribuíram a formação do edifício inteiro à época de Brunhes (idade inferior a 0,72 Ma). Nas encostas do vulcão, como também em sua periferia, foram registrados mais de 100 pequenos centros de erupção, freqüentemente controlados por fissuras paralelas ao eixo de maior comprimento do monte (na direção SW-NE), que através de sucessivas erupções originou a sua configuração atual. A atividade vulcânica histórica na região foi reportada pela primeira vez no ano de 450 AC pelo navegante Hannon de Cartago. Desde então, foram registradas 18 explosões e/ou erupções, sendo que 8 delas ocorreram no século passado (em 1909, 1922, 1925, 1954, 1959, 1982, 1999 e 2000). O Complexo Vulcânico do Monte Bambouto, também pertencente à LVC, é composto por uma seqüência de lavas básicas (principalmente basaltos) e intermediárias (traquitos e fonolitos), cortadas por diques mais jovens pertencentes a eventos magmáticos do Quaternário recente. Cada derrame basáltico pode atingir uma espessura superior a 50 m, enquanto que nos diques as espessuras variam de poucos metros até aproximadamente 30 m [8]. Derrames de rochas vulcânicas quaternárias ocorrem nas proximidades da cidade de Foumbat, localizada a cerca de 50 km a leste do Monte Bambouto (Fig. 1). E E E Oceano Atlântico Pagalu Monte Bambouto Complexo Vulcânico do Monte Bambouto Foumbat Monte Cameroon 0 Mandara 10 N Figura 1. Localização da Linha Vulcânica dos Camarões situada no oeste da África (simplificada de [4]). III. METODOLOGIA EMPREGADA Das 22 rochas vulcânicas coletadas, foram selecionadas, para a primeira etapa, 4 amostras do Monte Cameroon e 3 do Complexo Vulcânico de Bambouto (região de Foumbat), as quais são representativas do magmatismo recente ocorrido na região. Este conjunto de amostras foi analisado por ativação neutrônica e espectrometria gama natural. Para o emprego dos métodos analíticos, as amostras foram britadas (diâmetro inferior a 0,5 cm), lavadas com água destilada e devidamente secas em estufa (50 C). Este material foi quarteado e parte dele pulverizado, em um moinho de ágata mecânico, a uma granulação inferior a 100 mesh, necessária para as medidas de ativação neutrônica, sendo o restante utilizado para análise por espectrometria gama natural. Espectrometria Gama Natural. Para estas análises foram acondicionados aproximadamente 110 g de material britado, em caixas plásticas lacradas e deixadas em repouso por um período mínimo de 45 dias antes da medida, para que a série do 238 U restabeleça a condição de equilíbrio radioativo do 226 Ra com seus produtos de decaimento de meia vida curta (a meia vida do 222 Rn é de 3,38 dias). As 5 N

3 amostras foram submetidas à contagem em um detetor de germânio hiperpuro (HPGe) com 70% de eficiência e resolução de 2,0 kev para o pico do 60 Co com energia de 1332,49 kev. Para a determinação das atividades dos radioisótopos presentes foram utilizados padrões secundários de urânio (61,500 ± 0,086 Bq) e tório (21,98 ± 0,11 Bq) em equilíbrio radioativo secular. O procedimento de preparação dos padrões secundários de urânio e tório está descrito em detalhe em [10]. As atividades específicas dos radionuclídeos 234 Th, 214 Pb e 214 Bi, pertencentes à série do 238 U, e de 228 Ac, 212 Pb, 212 Bi e 208 Tl, pertencentes à série do 232 Th, foram determinadas comparando-se a área dos respectivos picos de absorção total observadas nas amostras, com seus correspondentes presentes nos espectros dos padrões secundários de atividade. Nestas medidas foi descontada a taxa de contagem proveniente da radiação de fundo, medida utilizando-se quartzo em pó acondicionado de forma a manter a geometria de detecção idêntica à das amostras. O tempo de medida foi de 48 horas e só foram considerados os radionuclídeos cujas contagens excederam o limite de detecção [11]. Os erros nas determinações das atividades gama dos radionuclídeos analisados estão principalmente associados à incerteza na determinação das áreas dos picos nos espectros das amostras e dos padrões. A atividade específica do 238 U foi determinada a partir dos picos de absorção total do 235 U (185,7 kev) e a do 234 Th (admitindo-se a condição de equilíbrio radioativo secular com o 238 U). Foi considerada como a melhor estimativa da atividade do 238 U, a média das duas determinações ponderadas pelo inverso de suas variâncias [12, 13]. A atividade específica do 226 Ra foi obtida a partir das médias das atividades do 214 Pb e 214 Bi, ponderadas pelo inverso de suas variâncias. De forma análoga, as atividades específicas do 228 Ra e 228 Th foram estimadas a partir das médias das atividades dos seus produtos de decaimento ( 228 Ac; 212 Pb, 212 Bi e 208 Tl, respectivamente), ponderadas pelo inverso de suas variâncias. Essa metodologia forneceu resultados com ótimos níveis de reprodutibilidade, com precisão relativa de 2% para 238 U, 3% para 226 Ra e 8% para 228 Ra e 228 Th [14, 15]. O desequilíbrio da série do 238 U fica evidenciado quando as concentrações equivalentes de urânio calculadas através das atividades específicas dos isótopos 238 U e 226 Ra são diferentes. No caso da série do 232 Th, a existência do desequilíbrio radioativo é indicada pela diferença entre as concentrações equivalentes de tório calculadas pelas atividades do 228 Ra e do 228 Th. Análise por Ativação Neutrônica. Esta metodologia foi utilizada como uma técnica complementar para a determinação das concentrações, e consequentemente das atividades específicas, do 238 U e 232 Th, já que por espectrometria gama natural não é possível determinar diretamente esses dois radionuclídeos [16]. Para a ativação foram preparadas alíquotas de padrões geológicos internacionais (GS-N e BE-N), os quais foram irradiados juntamente com as amostras, no reator do IPEN/CNEN-SP. A massa de cada alíquota variou em torno de 100 mg. Os períodos de irradiação com nêutrons epitérmicos foram de 24 horas, sob um fluxo total de n.cm -2.s -1. Para as medidas da atividade gama induzida foram utilizados detetores de germânio hiperpuro (HPGe) com 20% de eficiência e resolução de 2,0 kev, para o pico do 60 Co com energia de 1332,49 kev. Foram efetuadas duas séries de medidas e a duração de cada contagem foi em média de 2 horas. As medidas para a determinação de U foram realizadas cerca de 6 dias após o término da radiação, sendo utilizado o pico de 277 kev do 239 Np. As concentrações de Th foram obtidas nas contagens realizadas aproximadamente 20 dias após a irradiação, através do radioisótopo 233 Pa, cujo pico possui energia de 312 kev. Os erros dessas determinações foram calculados pela reprodutibilidade do padrão BCR-1 analisado nas mesmas condições das amostras, sendo de 4,9% para o urânio e 4,4% para o tório [17]. IV. RESULTADOS PRELIMINARES E DISCUSSÃO Os resultados obtidos por espectrometria gama natural para a determinação da concentração de 238 U, através das atividades do 234 Th e 235 U, mostraram que os erros associados a estas determinações foram elevados, em função das baixas concentrações de 238 U nas amostras (em torno de 1 µg/g), e também pela quantidade relativamente pequena de material submetido à análise (cerca de 100 gramas). Portanto, foram utilizadas as concentrações de urânio obtidas através da técnica de análise por ativação neutrônica, que é uma técnica bem estabelecida e apresenta resultados com bons níveis de precisão e exatidão U ( 214 Pb- 214 Bi) MC Equilíbrio Radioativo U ativação Figura 2. Concentrações de U (µg/g), obtidas por ativação neutrônica, e concentrações equivalentes de U (µg/g), calculadas por espectrometria gama natural através dos radioisótopos 214 Pb- 214 Bi. As barras de erro correspondem à incerteza de 1σ. Embora o número de amostras analisadas até o momento seja pequeno, nota-se que a maioria encontra-se na condição de desequilíbrio, já que a concentração

4 equivalente de urânio, determinada pelas atividades do 214 Pb e 214 Bi (em equilíbrio com o 226 Ra), é muito distinta daquela obtida por ativação neutrônica, conforme pode ser observado na figura 2. Isto indica que estas rochas vulcânicas devem possuir idade inferior a anos. Cabe ressaltar que a amostra MC-1959 pertence a um derrame histórico, cuja erupção ocorreu no ano de As técnicas de espectrometria gama natural e ativação neutrônica já foram devidamente comparadas, em trabalhos anteriores, para a determinação da concentração de Th, e os resultados mostraram-se estatisticamente iguais quando a série do 232 Th está em equilíbrio radioativo secular [e.g. 10 e dados inéditos]. No caso das amostras em estudo, observou-se que a concentração equivalente de 232 Th é ligeiramente diferente daquela obtida por ativação neutrônica, levando-se em consideração os erros associados às medidas (incerteza de 1σ). Por outro lado, quando são comparadas as concentrações equivalentes de tório que foram determinadas a partir das atividades específicas de 228 Ra e 228 Th, por espectrometria gama natural, tem-se a indicação de que todos os radionuclídeos das amostras analisadas estão em equilíbrio radioativo secular com o 228 Ra, conforme mostra a figura 3. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a S. H. A. Nicolai, pelo auxílio nas análises realizadas por ativação neutrônica, e R. U. Ubangoh e A. Marzoli pela coleta das amostras utilizadas neste estudo. Esta pesquisa foi financiada pelo PADCT-FINEP e FAPESP. REFERÊNCIAS [1] Allègre, C. J. e Condomines, M., Fine chronology of volcanic processes using 238 U- 230 Th systematics, Earth and Planetary Science Letters, vol. 28, p , [2] Condomines, M., Hermond, C. e Allègre, C.J., U-Th-Ra radioactive disequilibria and magmatic processes, Earth and Planetary Science Letters, vol. 90, p , [3] Hémond, C., Hofmann, A. W., Heusser, G., Condomines, M., Raczek, I., Rhodes, J. M., U-Th-Ra systematics in Kilauea and Mauna Loa basalts, Hawaii, Chemical Geology, vol. 116, p , Th ( 212 Pb- 212 Bi- 208 Tl) MC-1959 [4] Fitton, J. G. e Dunlop, H. M., The Cameroon Line, West Africa, and its bearing on the origin of oceanic and continental alkali-basalt, Earth and Planetary Science Letters, vol. 72, p 23-38, Equilíbrio Radioativo [5] Fitton, J. G., The Cameroon Line West Africa: a comparison between oceanic and continental alkaline volcanism, alkaline igneous rocks, Geological Society Special Publication, vol. 30, p , [6] Halliday, A. N., Dickson, A. P., Fallick, A. E. e Fitton, J. G., Mantle dynamics: A Nd, Sr and O isotopic study of the Cameroon Line Volcanic Chain, Journal of Petrology, vol. 29, p , Ra ( 228 Ac) Figura 3. Concentrações equivalentes de 232 Th (µg/g) calculadas por espectrometria gama natural, através dos radioisótopos 228 Ac, 212 Pb, 212 Bi e 208 Tl, e seus respectivos erros. Portanto, até o momento, não é possível afirmar que o 228 Ra está em equilíbrio radioativo secular com o 232 Th, mesmo sabendo que esta série atinge essa condição em aproximadamente 40 anos. Cabe ressaltar que foram realizadas análises com duplicatas de todas as amostras e os resultados obtidos foram mantidos. Portanto, será necessário obter dados adicionais, incluindo o emprego da técnica de espectrometria alfa para uma investigação mais detalhada do equilíbrio radioativo nas séries do 238 U e 232 Th. [7] Chabaux, F. e Allègre, C. J., 238 U- 230 Th- 226 Ra disequilibria in volcanics: A new insight into melting conditions, Earth and Planetary Science Letters, vol. 126, p 61-74, [8] Marzolli, A., Piccirillo, e. M., Renne, P. R., Bellieni, G., Iacumin, M., Nyobe, J. B. e Tongwa, A. T., The Cameroon Volcanic Line Reviseted: Petrogenesis of continental basaltic magmas from lithospheric and asthenospheric mantle sources, Journal of Petrology, vol. 41, p , [9] Piper, J. D. A. e Richardson, A., The paleomagmatism of the Gulf of Guinea Volcanic Province, West Africa, Geophysical Journal Royal Astronomy Society, vol. 29, p , [10] Santos, R. N., Implantação da metodologia de espectrometria alfa para a determinação dos isótopos de U e Th em rochas ígneas: aplicação ao estudo do

5 desequilíbrio radioativo na Ilha da Trindade, Tese de Doutorado, IAG/USP, p 120, [11] Currie, L. A., Limits for qualitative detection and quantitative determination, Analytical Chemistry, vol 40(3), p , [12] Ribeiro, F. B., Um exemplo da aplicação da espectrometria gama na observação do desequilíbrio das séries radioativas do urânio e do tório, Tese de Livre Docência, IAG-USP, p 73, [13] Ribeiro, F. B., Roque, A., Boggiani, P. C. e Flexor, J. M., Uranium and thorium series disequilibrium in quaternary carbonate deposits from the Serra da Bodoquena and Pantanal do Miranda, Mato Grosso do Sul state, Central Brazil, Applied Radiation and Isotopes, vol. 54(1), p , ABSTRACT This work presents U and Th concentrations, obtained by two analytical techniques in igneous rocks from Cameroon Mount and from Bambouto Mount Volcanic Complex, located at western Camarões Republic (Africa). The 238 U and 226 Ra specific activities, belonging to the 238 U series, as well as those of 228 Ra and 228 Th, belonging to the 232 Th series, were determined by high resolution natural gamma spectrometry with hyperpure germanium detector. U and Th concentrations were also obtained by epithermal neutron activation analysis. The preliminary results showed that most of the analyzed samples are in disequilibrium condition for 238 U series. In the case of the 232 Th series, the radionuclides 228 Ra e 228 Th are in secular radioactive equilibrium for all analyzed samples and additional data are required to investigate if secular disequilibrium between 232 Th and 228 Ra exists. [14] Santos, R. N., Marques, l. S. e Ribeiro, F. B., Estudo do equilíbrio radioativo das séries do 238 U e 232 Th em rochas vulcânicas das Ilhas da Trindade e Martin Vaz, Geochimica Brasiliensis, vol. 14(1), p , [15] Figueiredo, A. M. e Marques, L. S., Determination of rare earths and other elements in the Brazilian geological standards BB-1 and GB-1 neutron activation analysis, Geochimica Brasiliensis, vol 3, p 1-8, [16] Figueiredo, A. M. e Ticcianelli, R. B., Controle de qualidade analítico dos elementos terras raras e outros elementos traços em rochas por ativação neutrônica, Anais do III Congresso Brasileiro de Geoquímica, p , [17] Marques, L. S., Geoquímica dos diques toleíticos da costa sul-sudeste do Brasil: contribuição ao conhecimento da Província Magmática do Paraná, Tese de Livre Docência, IAG/USP, p 86, 2001.