THE AGE OF MOUNTAINS AND CONTINENTS FROM TINY MINERALS /A IDADE DAS MONTANHAS E DOS CONTINENTES EM PEQUENOS MINERAIS

Brightly colored zircon crystal under crossed polarizers.

Zircon crystals under trasmitted light (left) and under cathodoluminescence detector (right).
Badelleyte wafer under reflected light.
Brightly colored baddeleyite crystal under crossed polarizers.
Brown baddeleyite crystal (same as last picture under different magnification)
Baddeleyite blade under trasmitted light.
Baddeleyite blade (same as last picture) under cross polarizers.
Closure temperatures for different radiogenic systems in different minerals.
Example of the use of radiogenic chronometers to calculate uplift and erosion rates of mountains (from Schmitt et al., 2004).

Some minerals found in rocks are special in that they accommodate a lot of specific chemical elements in their structures and almost none of other elements. This is the case of zircon (ZrSiO4), which likes Uranium but allow almost no Lead in it’s structure. This turns zircon in an ideal mineral to calculate the age of crystallization through the U-Pb radiogenic clock. As Uranium decays to Lead with time in a fixed rate, by measuring the quantity of U and Pb within each crystal, we can have an estimate of when the mineral crystallized, as we know that practically all Pb within the crystal must have been generated by U decay because zircon wouldn’t allow any stray Pb within it’s matrix upon crystallization.

Another nice mineral for dating is baddeleyite (ZrO2), occuring as blades and thin wafers in mafic (low silica) rocks. In the images, zircon (zoned mineral under microscope and cathodoluminescence images) and baddeleyite (brown under plane light, brightly colored under crossed polarizers light). By combining different analysis of different decay systems in different minerals that crystallize under different temperatures, we can estimate when a determined region cooled below each closure temperature, and then calculate cooling rate (degrees per million year) and by extension, how much of a mountain belt was eroded and delivered to the seas as sediments in a given time interval.

Alguns minerais encontrados nas rochas acomodam elementos químicos específicos em suas estruturas. É o caso do zircão (ZrSiO4), que gosta de urânio, mas não permite quase nenhum chumbo em sua estrutura. Isso transforma o zircão em um mineral ideal para calcular a idade da cristalização através do relógio radiogênico U-Pb. Como o urânio decai ao chumbo com o tempo em uma taxa fixa, medindo a quantidade de U e Pb dentro de cada cristal, podemos ter uma estimativa de quando o mineral cristalizou, pois sabemos que praticamente todo o Pb dentro do cristal deve ter sido gerado por decaimento do U.

Outro mineral ideal para datação é a baddeleyita (ZrO2), que ocorre como lâminas e wafers finos em rochas máficas (baixa sílica). Nas imagens, zircão (mineral zonado sob microscópio e imagens de catodoluminescência) e badelleyita (marrom sob luz plana, brilhantemente colorida sob luz polarizada cruzada). Ao combinar diferentes análises de diferentes sistemas de decaimento em diferentes minerais que cristalizam sob diferentes temperaturas, podemos estimar quando uma determinada região resfria abaixo de cada temperatura de fechamento e, em seguida, calcular a taxa de resfriamento (graus por milhão de ano) e, por extensão, a quantidade de uma montanha que foi erodida e entregue aos mares como sedimentos em um determinado intervalo de tempo.

Artigo utilizado como exemplo de cálculo de taxas de resfriamento: Schmitt, R. S., Trouw, R. A. J., Van Schmus, W. R., & Pimentel, M. M. (2004). Late amalgamation in the central part of West Gondwana: the characterization of a Cambrian collisional orogeny in the Ribeira Belt, SE Brazil. Precambrian Research, 133, 29-61.

Photos by Fabricio Caxito

Stromatolites, the oldest living fossils, part 2: Lagoa Salgada, Rio de Janeiro, Brazil / Estromatólitos, os mais velhos fósseis vivos, parte 2: Lagoa Salgada

Recent stromatolite at Lagoa Salgada, RJ. Photo by @samyrvq
Recent stromatolite at Lagoa Salgada, RJ. Photo by @samyrvq
Wall made of shells at Lagoa Salgada, RJ. Photo by @samyvq

Another place where we can find recent stromatolites, Earth’s oldest living fossils (see last post for more info) is at Lagoa Salgada, Rio de Janeiro, Brazil. The pools are for salt evaporation and exploration.

Thanks @samyrvq for the very cool pics!

Outro local onde podemos encontrar estromatólitos recentes, os fósseis vivos mais antigos da Terra (veja a última postagem para mais informações) fica em Lagoa Salgada, Rio de Janeiro, Brasil. As piscinas são para evaporação e exploração de sal.

Obrigado @samyrvq pelas excelentes fotos!

Stromatolites, the oldest living fossils – part 1: Shark Bay, Australia / Estromatólitos, os mais velhos fósseis vivos, parte 1: Shark Bay

Recent stromatolites at Shark Bay, photo by F. Caxito
Shelly Beach, photo by F. Caxito
Shelly Beach, photo by F. Caxito

Stromatolites are the oldest known evidence of life, dating back to more than 3.5 billion years ago. They are formed by colonies of cyanobacteria that trap mostly calcareous sediments in column-shaped structures. Nowadays they only occur in places with high salinity where animals that mess up the ocean floor in search of food (the seagrazers) thus destroying the columns can’t survive, as in Hamelin Pool, Shark Bay, Australia. In effect, it was the first appearance of complex animal forms including seagrazers that ended the reign of stromatolites over the geological record.

Other than stromatolites, only species that are adapted to highly saline environments, such as the fragum cockle, can survive in Shark Bay waters. Their predominance in these waters is highlighted by the typical “sand” of Shell Beach.

Os estromatólitos formam a evidência mais antiga de vida na Terra, datados de mais de 3,5 bilhões de anos atrás. Eles são formados por colônias de cianobactérias que prendem principalmente sedimentos calcários em estruturas em forma de coluna. Atualmente, eles ocorrem apenas em locais com alta salinidade, onde os animais que mexem no fundo do oceano em busca de comida (os seagrazers), destruindo as colunas não podem sobreviver, como em Hamelin Pool, Shark Bay, Austrália. De fato, foi a primeira aparição de formas animais complexas, incluindo seagrazers, que encerrarou o reinado dos estromatólitos sobre o registro geológico.

Além dos estromatólitos, apenas espécies adaptadas a ambientes altamente salinos, como o berbigão, podem sobreviver nas águas de Shark Bay. Sua predominância nessas águas é destacada pela típica “areia” de Shell Beach.

Graphite deposits, burial of organic carbon and the first appearance of complex life forms / Depósitos de grafita, soterramento de carbono orgânico e a primeira aparição das formas de vida complexas

Kinzigitic paragneiss of the Jequitinhonha Complex. Crd = cordierite, Sn = main foliation, JK1 = Outcrop name. From Pacheco et al. (2020)
Kinzigitic paragneiss of the Jequitinhonha Complex under crossed polarizers microscopy. Bt = Biotite, Crd = cordierite, Grt = Garnet, Qz = Quartz, Sil = Sillimanite, Sn = main foliation, JK1 = Outcrop name. From Pacheco et al. (2020)
Cathodoluminescence images of some of the dated zircon grains of the Jequitinhonha Complex. From Pacheco et al. (2020)

Hf isotope diagram of some of the dated zircon grains of the Jequitinhonha Complex. From Pacheco et al. (2020)
Map of the Jequitinhonha Complex area. From Pacheco et al. (2020)
Microscope images of flake graphite from the Jequitinhonha Complex. From Brito et al. (2018)

Graphite is a natural form of carbon crystallized under lower pressures and temperatures than those needed to stabilize diamond. It is a very important mineral resource with applications in the steel industry, as a lubricant, in refractories, paints, oven and brake linings, brushes, batteries, electrodes, pencils, explosives, magnetic tapes, fertilizers and in the making of modern technological materials such as graphene. A rock called kinzigitic paragneiss of the Jequitinhonha Complex in eastern Brazil hosts one of the largest ore provinces of the world, probably reaching more than one billion tons of raw graphite. The graphite deposits come from the metamorphism (changes in mineral structure due to higher pressures and temperatures) of former deep sea fine-grained sediments which were rich in organic carbon.

Recent geochronological (rock dating) data are presented by members of Project MOBILE in a publication in the Journal of South American Earth Sciences, with PhD student Fernando Pacheco as first author. These data indicate that the huge amount of carbon of the Jequitinhonha Complex was buried in a sedimentary basin developed between circa 610 and 550 million years ago, during a time when the Brasiliano mountain ranges were in the process of formation joining the ancient paleocontinents that form the South American and African basement rocks. Could the carbon sequestration be related to the Brasiliano mountains, with rapid erosion of the developing high-relief areas providing a large load of sediments which buried organic carbon?

Burial of large amounts of organic carbon has yet another side effect: It shields carbon from back-reacting with oxygen to form CO2. Thus, the withdrawal of organic carbon from the atmosphere-hydrosphere system liberates larger amounts of free O2, which is essential for the development of complex life forms. Could the sequestration of organic carbon into the Jequitinhonha Complex be related to the first appearance of complex fossil organisms such as Cloudina and Corumbella 550-540 million years ago in the adjoining Bambuí basin?


A grafita é uma forma natural de carbono cristalizada sob pressões e temperaturas mais baixas do que as necessárias para estabilizar o diamante. É um recurso mineral muito importante com aplicações na indústria siderúrgica, como lubrificante, em refratários, tintas, guarnições de fornos e freios, escovas, baterias, eletrodos, lápis, explosivos, fitas magnéticas, fertilizantes e na fabricação de materiais tecnológicos modernos como o grafeno. Uma rocha chamada paragneisse kinzigítico do Complexo Jequitinhonha, no leste do Brasil, abriga uma das maiores províncias minerais do mundo, provavelmente atingindo mais de um bilhão de toneladas de grafita bruta. Os depósitos de grafita provêm do metamorfismo (mudanças na estrutura mineral devido a pressões e temperaturas mais altas) dos antigos sedimentos de grãos finos do fundo do mar, ricos em carbono orgânico.

Dados geocronológicos recentes (datação por rochas) são apresentados por membros do Projeto MOBILE em uma publicação no Journal of South American Earth Sciences, com o aluno de doutorado Fernando Pacheco como primeiro autor. Esses dados indicam que a enorme quantidade de carbono do Complexo Jequitinhonha foi enterrada em uma bacia sedimentar desenvolvida entre 610 e 550 milhões de anos atrás, durante um período em que as cadeias de montanhas Brasiliana estavam em processo de formação unindo os antigos paleocontinentes que formam o embasamento rochoso da América do Sul e da África. Poderia o sequestro de carbono estar relacionado às montanhas Brasilianas, com a rápida erosão das áreas de alto relevo em desenvolvimento proporcionando uma grande carga de sedimentos que enterravam carbono orgânico?

O sequestro de grandes quantidades de carbono orgânico em sedimentos tem ainda outro efeito colateral: impede o carbono de reagir de volta com oxigênio para formar CO2. Assim, a retirada do carbono orgânico do sistema atmosfera-hidrosfera libera grandes quantidades de O2 livre, essencial para o desenvolvimento de formas de vida complexas. O sequestro de carbono orgânico no complexo Jequitinhonha pode estar relacionado à primeira aparição de fósseis de organismos complexos como Cloudina e Corumbella há cerca de 550-540 milhões de anos na bacia Bambuí adjacente?

Ref.: Pacheco, F.E.R.C., Caxito, F.A., Pedrosa-Soares, A.C., Dussin, I., Gonçalves-Dias, T., 2020. Detrital zircon U-Pb and Lu-Hf data for a kinzigitic gneiss (Jequitinhonha Complex, Araçuaí Orogen, SE Brazil) constrain the age of a huge storage of Ediacaran carbon. Journal of South American Earth Sciences, available online 24 June 2020, 102709

Belém, J., 2018. Recursos Minerais de Minas Gerais online – Grafita. CODEMGE/CPMTC.

Brito, H., Piumbini, B. S., da Luz, J. A. M., & Nascimento, E. M. D. (2018). Caracterização e prospecção de grafita do Complexo JequitinhonhaGeologia USP. Série Científica18(1), 67-84.

APATITE FISSION TRACKS and mountain denudation / TRAÇOS DE FISSÃO EM APATITA e denudação das montanhas

Galbraith et al. (1990)
Fonseca et al. (2020)
Fonseca et al. (2020)
Fonseca et al. (2020)

Those small minerals can help to understand how quickly a mountain belt is eroded. The method is based on the decay of radiogenic elements within the mineral structure, which leaves small tracks due to the damage caused by the nuclear disintegration. By counting the density and length of the tracks, we can estimate the time passed since the rocks in a mountain belt were exposed to different levels of erosion. Then, we can compare the rates of erosion with the blooming of complex life in the seas that bordered the mountains to check if the delivery of nutrients match with the denudation of the high relief areas. The paper by Fonseca and collaborators is an example of this technique applied to the Brasília Belt, an ancient mountain belt in the middle of Brazil.

Refs: Galbraith et al. 1990. Apatite fission track analysis: geological thermal history analysis based on a three-dimensional random process of linear radiation damage. Phil. Transactions of the Royal Society.

Fonseca et al. 2020. Devonian to Permian post-orogenic denudation of the Brasília Belt of West Gondwana: insights from apatite fission track thermochronology. Journal of Geodynamics.

Esses pequenos minerais podem ajudar a entender a rapidez com que uma cadeia de montanhas é erodida. O método baseia-se na decomposição de elementos radiogênicos dentro da estrutura do mineral, que deixa pequenos rastros devido aos danos causados ​​pela desintegração nuclear. Contando a densidade e o comprimento das trilhas, podemos estimar o tempo decorrido desde que as rochas em um cinturão de montanhas 🗻 foram expostas a diferentes níveis de erosão. Em seguida, podemos comparar as taxas de erosão com o surgimento de vida complexa nos mares que margeavam as montanhas para verificar se a entrega de nutrientes combina com a desnudação das áreas de alto relevo. O artigo de Fonseca e colaboradores é um exemplo dessa técnica aplicada ao Orógeno Brasília, um antigo cinturão de montanhas no meio do Brasil.

PLAGIOGRANITE – a very important component of the ocean floor!

PLAGIOGRANITO – um componente muito importante do fundo do oceano!

Zhong et al. (2018)

Grimes et al. (2013)
Amaral et al. (2020)
Amaral et al. (2020)
Amaral et al. (2020)
Amaral et al. (2020)

Do you know what plagiogranite is? This very special type of granite is composed of plagioclase with small amounts of quartz and ferromagnesian minerals. They were long recognized as very important parts of ophiolitic complexes, rocks that represent ancient pieces of ocean floor that are now embedded inside continents. Most of the rocks in ophiolitic complexes are mafic and ultramafic, dark green primitive rocks (hence the name ophiolitic, that means “snake-like” 🐍). But plagiogranites are the most evolved parts of the complexes, normally occuring only as small batches and veinlets within the uppermost gabbro layers. They are very differentiated rocks and important for bearing datable minerals such as zircon, that can be analyzed through the U-Pb radiochronometer, yielding the age of the oceanic piece now embedded within continental interiors. The discovery and dating of plagiogranite within gabbro and metaultramafic rocks in the Ribeirão da Folha region near capelinha, Minas Gerais, Brazil, was very important because it allowed to know the age of closure of an ocean that once existed in what is now the Jequitinhonha valley of east Brazil – at ca. 645 million years ago! Uplift and erosion of mafic and ultramafic rocks is very important because it might have provided vital bionutrients such as phosphorus to the adjoining basins, where fossils of complex life forms appear for the first time in the same moment. Everything is connected, it is the scientist duty to look for the clues in the ancient rock record!

Refs:
Coleman, R.G. and Peterman, Z.E. 1975. Oceanic plagiogranite. Journal of Geophys. Res.

Grimes et al. 2013. Perspectives on the origin of plagiogranite in ophiolites from oxygen isotopes in zircon. Lithos, 179, 48-66.

Zhong et al. 2018. 40Ar/39Ar dating of oceanic plagiogranite: Constraints on the iniciation of seafloor spreading in the South China Sea. Lithos, 302-303, 421-426.

Amaral et al. 2020. The Ribeirão da Folha ophiolite-bearing accretionary wedge (Araçuaí orogen, SE Brazil): New data for Cryogenian plagiogranite and metasedimentary rocks. Prec. Res.

PLAGIOGRANITO – um componente muito importante do fundo do oceano!

Você sabe o que é plagiogranito? Este tipo muito especial de granito é composto de plagioclásio com pequenas quantidades de quartzo e minerais ferromagnesianos. Eles foram reconhecidos por muito tempo como partes muito importantes dos complexos ofiolíticos, rochas que representam pedaços antigos do fundo do oceano que agora estão embutidos nos continentes. A maioria das rochas nos complexos ofiolíticos são máficas e ultramaficas, rochas primitivas verde-escuras (daí o nome ofiolítico, que significa “cobra”). Mas os plagiogranitos são as partes mais evoluídas dos complexos, ocorrendo normalmente apenas como pequenos veios nas camadas superiores de gabro. São rochas muito diferenciadas e importantes pois contém minerais datáveis, como o zircão, que podem ser analisados pelo radiocronomômetro U-Pb, produzindo a idade do fundo oceânico agora incorporado nos interiores continentais. A descoberta e datação de plagiogranitos em gabro na região de Ribeirão da Folha, perto de Capelinha, Minas Gerais, Brasil, foi muito importante, pois permitiu conhecer a idade de fechamento de um oceano que existia no que hoje é o vale do Jequitinhonha do leste do Brasil – há 645 milhões de anos atrás! A elevação e a erosão das rochas máficas e ultramáficas são muito importantes porque podem ter fornecido bionutrientes vitais, como fósforo, para as bacias adjacentes, onde fósseis de formas de vida complexas aparecem pela primeira vez no mesmo momento. Tudo está conectado, é o trabalho do cientista procurar as pistas no antigo registro rochoso!

Aragonite crystal fans in 3D

Aragonite crystals fans in 3D, Sete Lagoas, Brazil. Photo by Fabricio Caxito

Aragonite crystal fans in three dimensional view, with pseudo-hexagonal sections in the surface where the coin is resting and prismatic sections in the side cut. Those beautiful crystals are precipitated directly on the seafloor when the ocean is supersatured in CaCO3. This happened ca. 630-540 million years ago, after a global glaciation created ice caps that covered the oceans and didn’t let the atmospheric CO2 be absorbed by seawater. With time, enough CO2 accumulated in the atmosphere to generate a heavy greenhouse effect, thus heating up Earth and melting the ice caps. The large amount of CO2 available in the atmosphere was then quickly sucked by the ocean waters and combined with Ca cations to generate the beautiful aragonite gardens in the seafloor. The planet equilibrates itself: icehouses lead to greenhouses and vice-versa. Cap carbonate (typical post-glacial carbonate) of the Sete Lagoas Formation, Bambuí Group, Brazil.

Leques de cristais de aragonita em vista tridimensional, com seções pseudo-hexagonais na superfície onde a moeda está e seções prismáticas no corte lateral. Esses belos cristais são precipitados diretamente no fundo do mar quando o oceano é supersaturado em CaCO3. Isso aconteceu há ca. 630-540 milhões de anos atrás, após uma glaciação global criar calotas de gelo que cobriam os oceanos e não permitiam que o CO2 atmosférico fosse absorvido pela água do mar. Com o tempo, o CO2 acumulado na atmosfera foi suficiente para gerar um forte efeito estufa, aquecendo a Terra e derretendo as calotas polares. A grande quantidade de CO2 disponível na atmosfera foi rapidamente sugada pelas águas do oceano e combinada com cátions de cálcio para gerar os belos jardins de aragonita no fundo do mar. O planeta se equilibra: as glaciações globais levam a efeito estufa global e vice-versa. Carbonato de capa (típico carbonato pós-glacial) da Formação Sete Lagoas, Grupo Bambuí, Brasil.

The Ozone Layer and Mass Extinctions

Could damage to the ozone layer cause mass extinctions? Researchers from the University of Southampton presented evidence that this happened 360 million years ago. Changes in the atmosphere chemistry allowed for UV rays to hit harder and cause mutations that led to the extinction of various life forms. Could this happen again? It’s not wise to meddle with one of the geospheres – all of them are interconnected and changes in the atmosphere cause changes in the biosphere, hydrosphere and vice-versa.

Reference: John E. A. Marshall, Jon Lakin, Ian Troth, Sarah M. Wallace-Johnson. UV-B radiation was the Devonian-Carboniferous boundary terrestrial extinction kill mechanism. Science Advances, 2020; 6 (22): eaba0768 DOI: 10.1126/sciadv.aba0768

Os danos à camada de ozônio podem causar extinções em massa? Pesquisadores da Universidade de Southampton apresentaram evidências de que isso aconteceu há 360 milhões de anos atrás. As mudanças na química da atmosfera permitiram que os raios UV atingissem com mais força e causassem mutações que levaram à extinção de várias formas de vida. Isso poderia acontecer de novo? Não é aconselhável se intrometer em uma das geosferas – todas elas estão interconectadas e as mudanças na atmosfera causam mudanças na biosfera, hidrosfera e vice-versa.

Thanks Julia Matiolli for the post suggestion!
Read more at http://www.geologypage.com/…/erosion-of-ozone-layer-respons…

Media Outreach – Social Media

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Media Outreach – UFMG

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https://ufmg.br/comunicacao/noticias/tres-professores-da-ufmg-farao-pesquisas-com-apoio-do-instituto-serrapilheira?fbclid=IwAR0vZ2fRW3O0TTxwsB1nVutwbxfOW3J4P16RbI9wJVuroQWyzL2ECt0jfDM